Уже давно ученые указывали, что в глубине атомов – мельчайших частичек вещества – скрыты поистине сказочные запасы энергии, которую можно освободить. Но человечество получило крошечную часть этих запасов совсем недавно – в конце 30-х годов нашего столетия. Оказалось, что ядра наиболее тяжелых элементов (по периодической таблице элементов Менделеева) – урана и тория – под воздействием нейтронов делятся. Разлетаясь с огромной скоростью, эти частички (осколки деления) могут передать веществу, в котором они движутся, часть своей энергии. Кроме того, при делении появляются новые нейтроны. Они в свою очередь вызывают распад ядер других атомов. Таким образом, может возникнуть цепная реакция, в которой число делений будет расти, подобно снежной лавине.

На этой основе и была сконструирована атомная (правильнее было бы говорить «ядерная») бомба. В ней внутриядерная энергия освобождается мгновенно – со страшным взрывом. Но одновременно выяснилось, что можно построить установки, в которых ядерная энергия будет выделяться замедленно. Число делений ядер и освобождаемая при этом энергия регулируются и поэтому строго постоянны. Называются такие устройства атомными котлами, или ядерными реакторами, а протекающие в них цепные ядерные реакции – управляемыми.

Пока еще эти устройства имеют небольшой к. п. д. Но по сравнению с обычными энергетическими установками, использующими нефть, уголь и другие виды топлива, у них много серьезных преимуществ. Так, если обычные установки сжигают сотни тонн горючего, то атомные реакторы такой же мощности расходуют лишь несколько граммов. А ведь только разведанные запасы урана и тория в 20 раз превосходят по количеству скрытой в них энергии вес известные мировые запасы угля и нефти. Но уран пока еще дорог, переработка его сложна.

Как устроены реакторы

Почти все ядерные реакторы находятся в исключительно мощном укрытии. Это и не удивительно! При делении ядер тяжелых элементов выделяется множество нейтронов, а образующиеся легкие ядра – осколки деления – обладают очень сильными радиоактивными свойствами. От них надо уберечь и обслуживающий персонал, и машины. Поэтому реакторы и окружены толстой бетонной стеной. В ее многометровой толще задерживаются смертоносные гамма-лучи. А пробивающиеся из котлов нейтроны заглатываются другой защитой (рис. 1, 2).

Рис. 1. Механизм деления ядер урана в реакторе.

Рис. 2. Разрез уранового атомного реактора.

Что же находится внутри этого чудесного источника энергии?

Основная часть каждого котла – «атомное топливо». Чаще всего это уран – обычный или обогащенный... тем же ураном. Существуют две основные разновидности атомов этого элемента – два изотопа: уран-238 и уран-235. Ядра первого делятся только при попадании внутрь их самых энергичных, быстрых нейтронов. Нейтроны, если они немного замедлились, уже не смогут вызвать деления ядер урана-238. А ядра второго изотопа делятся любыми нейтронами, причем «предпочитают» наиболее медленные. Так как природный уран содержит только 1/140 часть урана-235, то его обычно обогащают.

В реакторе уран помещают в замедлителе. Его назначение – замедлять нейтроны до такой скорости, чтобы их в основном захватывал уран-235.

Замедлителем служит либо графит, либо обычная вода, либо тяжелая вода, в состав которой входит тяжелый изотоп водорода – дейтерий.

Вылетел из ядра урана нейтрон, «проблуждал» некоторое время в замедлителе, затормозил свое движение и снова попал в окружение ядер урана. Но он замедлился до такой степени, что поглощается только ураном-235.

Для замедлителей выбираются вещества с наиболее легкими ядрами – водород, тяжелый водород, углерод. Чем легче ядра замедлителей, тем быстрее замедляются нейтроны.

Чаще всего встречаются графитовые замедлители. В них нейтроны замедляются ядрами углерода. Замедление этими более тяжелыми по сравнению с водородом ядрами, конечно, происходит медленнее. Но содержащая водород обычная вода обладает весьма существенным недостатком: она захватывает нейтроны. А изготовление тяжелой воды – дорогостоящая операция.

Кроме того, тяжелую воду надо весьма тщательно изолировать. Иначе обычная вода, входящая в виде пара в состав атмосферы, обязательно попадет в тяжелую и разбавит этот ценнейший продукт.

Каким образом располагается в замедлителе уран?

Представьте себе большой бак с водой. Через определенные промежутки в нем расположены стержни урана.

Вот начался процесс. В реактор попал нейтрон и разделил одно ядро урана. Появились новые нейтроны. Один из них вылетел в замедлитель и затормозился там до определенной скорости. В результате, попав в следующий урановый стержень, он уже захватывается лишь ядрами урана-235. Поэтому реакторные урановые стержни располагают на строго определенном расстоянии. Слишком близко их нельзя поместить – начнется захват нейтронов ураном-238.

Кроме замедлителя, в реакторе есть еще одна очень важная часть. Многие нейтроны вылетают за его пределы. Они уже не вернутся обратно. Но каждый из них мог бы еще послужить, разделив хотя бы одно ядро урана. Здесь на помощь приходит отражатель. Это тот же замедлитель, но расположенный вокруг реактора. Его атомы отражают обратно нейтроны, стремящиеся покинуть котел.

Есть в реакторе стержни, которые то поднимаются, то опускаются, как будто следят за чем-то. Это – регулирующие стержни, бдительные стражи установки. Изготовлены они из жадно поглощающих нейтроны материалов. Чем глубже такие стержни погружены в реактор, тем больше нейтронов поглощают ядра их атомов.

С помощью точнейшей автоматики регулирующие стержни соединены с чуткими приборами-регистраторами нейтронного потока. Из самых отдаленных участков реактора идут сигналы о том, сколько там нейтронов: не повысилось ли их число (это опасно!), не стало ли их слишком мало (а тогда упадет мощность котла).

Как видите, мощность реактора зависит от нейтронного потока. И регулирующие стержни могут изменять эту мощность. Меньше стало нейтронов – стержни поднялись немного вверх. Увеличился нейтронный поток – стержни чуть опустились, доводя его до нормы. По мере «выгорания» топлива в реакторе появляются осколки деления. Они мешают спокойному ходу реакции, начинают захватывать нейтроны. Но чуткие регулирующие стержни на страже. Они плавно поднимаются вверх, и снова поток нейтронов приходит в норму.

А на случай какой-нибудь катастрофы есть еще аварийные стержни. По сигналу тревоги они падают внутрь реактора, и реакция сразу же затухает.

Рис. 3. Виды реакторов.

Однородные и неоднородные

Реакторы разнообразны (рис. 3). Их различают по способу применения, по виду ядерного «топлива» и по принципу его расположения. Кроме того, иногда реакторы определяют по используемым нейтронам – замедляются они там или нет. Есть, например, реактор на быстрых нейтронах, без замедлителя. Только для него необходимо ядерное топливо, склонное к захвату нейтронов любых энергий.

Реакторы, в которых делящийся элемент (чаще всего уран) располагается в замедлителе через определенные промежутки, называют неоднородными. Ведь здесь идет замедлитель, потом урановый блок, снова замедлитель и снова ядерное топливо. Мы уже говорили о таком котле.

Существуют и однородные реакторы. Там не отличишь ядерного топлива от замедлителя, так как соли урана в них растворяются обыкновенной или тяжелой водой. Правда, для реакторов с обычной водой приходится прибегать к сложному процессу – обогащать природный уран, т. е. повышать в нем содержание хорошо делящегося изотопа – урана-235. Без этого цепная реакция невозможна: она сразу же затухает.

Интересно свойство однородного котла саморегулироваться. Если число делений урана в нем начинает возрастать, то сразу же увеличивается выход энергии. Температура жидкости увеличивается. И, как только возрастет температура, жидкость начнет расширяться, расстояние между соседними ядрами урана увеличится, число их делений упадет, мощность снова возвратится к своему первоначальному значению. Точно так же регулируется и резкое уменьшение числа делений. Пожалуй, самые замечательные ядерные реакторы – воспроизводящие.

Мы уже говорили, что замедлившиеся нейтроны могли быть захвачены ядром урана-238. Но при этом захвате нейтронов, образуется новый элемент периодической системы – нептуний. Распадаясь, он в свою очередь дает еще один элемент-плутоний, прекрасное атомное топливо. Ядра его делятся всеми нейтронами и с успехом могут заменить уран-235. Кроме урана, делится и другой тяжелый элемент- торий. Но он не дает цепной реакции. Количество рождающихся в нем нейтронов невелико: их не хватает для компенсации потерянных при делении. Зато он, как и уран-238, может стать источником нового ядерного сырья. Захватывая нейтрон, ядро тория превращается в ядро еще одного изотопа – урана с атомным весом 233. Он подобен урану-235, т. е. прекрасно делится всякими нейтронами. Значит, на смену ядрам урана-238 и тория могут появиться другие хорошо делящиеся ядра.

Схема воспроизводящего реактора проста. Обычный атомный котел окружают толстой «подушкой» из урана-238 или тория. Отражателя у котла нет, и нейтроны свободно проникают в ядра «подушки». Здесь-то они и воспроизводят новое топливо. В зависимости от величины слоя урана-238 или тория и мощности реактора может возникнуть топлива даже больше, чем тратится в атомном котле (рис. 4).

Перенос энергии

В реакторах освобождается огромная энергия, скрытая в ядре атома. Используют ее самыми разнообразными способами.

В те дни, когда атомная энергия была лишь предметом мечты, воображению представлялись чудесные двигатели – небольшие, не требующие громоздких запасов топлива и в то же время развивающие колоссальные мощности. Сейчас мечта стала явью: атом движет машины, уже плавает атомный ледокол «Ленин» (рис. 5).

Но пока что двигатели на ядерном топливе- очень сложные сооружения. Ведь реактор испускает опасные лучи и частицы, и его нужно окружать надежной стеной.

Правда, на судах можно не защищать его со всех сторон – одну из защитных стенок прекрасно заменит дно корабля. Вес морского двигателя будет меньше, чем сухопутного. Но все равно атомные двигатели пока еще очень громоздки.

А сама работа ядерного реактора в качестве двигателя в общем мало отличается от работы его на атомных электростанциях, на которых турбины движутся теплом, выделяемым делящимися ядрами. Турбины в свою очередь вращают генераторы. На атомном ледоколе предварительно создается электрический ток, которым питаются двигатели этого корабля.

Как передается двигателям и турбинам освобожденная внутриатомная энергия?

При делении ядер тяжелых атомов образуются осколки. С колоссальной скоростью разлетаются они в разные стороны и уносят с собой освобожденную энергию. Замедляясь, спи передают свою энергию окружающим атомам. В результате повышается температура. Так как деление идет все время, то и тепла накапливается все больше и больше. Его необходимо отводить из реактора.

И тут на арену появляется теплоноситель. Само название показывает, что он обязан «тепло носить». «Носит» тепло он из атомного реактора, а передает его паровой машине или турбине.

Так все время и циркулирует теплоноситель: сначала забирает тепло в реакторе, потом отдает его и охлаждается, затем снова нагревается. При этом в реакторе поддерживается постоянная температура, а освобожденная энергия регулярно поступает в тепловую машину.

Чем быстрее перемещается теплоноситель, тем больше тепла он может забрать. Зависит это и от самих веществ, переносящих тепло: воды, расплавленных металлов, газов. Есть различные виды теплоносителей.

Первые киловатт-часы

Первенец ядерной энергетики – советская атомная электростанция. Она дала ток 27 июня 1954 г. Этот день по праву можно считать первым днем новой эры – эры мирного атома.

Рис. 4. Схема работы воспроизводящего реактора.

Реактор первой «атомной фабрики электричества» неоднородный. Замедлителем здесь служит графит. Источники энергии – урановые стержни. В обычном уране ядер урана-235 только 1/140 часть, а в урановых стержнях нашей первой электростанции уже 1/20 всех ядер. Это, конечно, повышает стоимость топлива, но зато размеры реактора уменьшаются.

В реактор погружено 128 семиметровых стержней. Они содержат 550 кГ ядерного топлива. Между двумя металлическими стенками стержней на глубину 170 см засыпается металлический уран. Весь реактор надежно укрыт массивными чугунными плитами.

В реакторе для передачи тепла есть две замкнутые системы из металлических трубок- два контура. В них циркулирует вода, очищенная от всех примесей. Вода первого контура проходит сверху вниз через урановые стержни, нагревается и отдает тепло парогенератору. Парогенератор и турбина соединены во второй контур. Таким образом вода первого контура нагревает воду второго.

Рис. 5. Атом работает в первом атомном ледоколе «Ленин».

Не случайно, что оба контура замкнуты и вода в них не смешивается. Ведь вода первого контура находится под воздействием нейтронов и сама становится радиоактивной. Значит, появляется источник опасных для людей излучений. Другое дело вода второго контура. Это обычная очищенная вода. Она не принесет вреда ни людям, ни машинам. Пар этой воды и движет турбину.

Чем горячее пар, попадающий в турбину, тем выше ее коэффициент полезного действия. Чтобы вода второго контура сильнее нагревалась и легче превращалась в пар, нужно сильнее нагревать воду первого контура.

Но, чтобы вода не закипела, в первом контуре повышают давление до 100 атм. При таком большом давлении вода останется водой и не превратится в пар. Во втором же контуре, наоборот, необходимо, чтобы вода скорее закипала. Поэтому давление здесь небольшое – всего 12,5 атм.

Отдав свое тепло парогенератору и охладившись с 270 до 190°, вода первого контура снова возвращается в реактор, чтобы забрать очередную порцию тепла.

Управление атомной электростанцией сосредоточено на центральном щите. Сюда приходят сигналы от приборов, бдительно следящих за работой этого сложного механизма – за температурой, давлением, количеством нейтронов.

Так устроена первая в мире электростанция на ядерном «горючем». Фактически это тепловая электростанция. Только тепло в ней получается не за счет сгорания обычного топлива, а при помощи внутриядерного распада.

Что будет завтра

Внутриядерная энергия, используемая на атомной электростанции, пока что проходит очень сложный путь преобразования. Сначала она превращается в тепловую, а потом уже в электрическую энергию. Разумеется, при этом неизбежны потери. Коэффициент полезного действия еще невелик (для нашей первой станции он составляет всего 16,6°/0). Но зато атомная электростанция Академии наук бывшего СССР затрачивает в сутки всего лишь 30% урана. А угля она сожгла бы 100 Т. Правда, вырабатываемое на ней электричество пока все же обходится дорого. Но причина этого кроется прежде всего в малой мощности. Как только мощность атомных электростанций достигнет сотен тысяч киловатт, стоимость электроэнергии резко упадет, и они вполне смогут соперничать с тепловыми «фабриками электричества».

Опыт работы первой электростанции на ядерном горючем позволил включить в планы развития энергетики строительство промышленных атомных электростанций по 400-600 тыс. кете каждая.

Какие ядерные электростанции будут построены в ближайшее время?

Реакторы мощных атомных электростанций будут обладать водяным замедлителем и теплоносителем. Топливо – уран, обогащенный до 1,5%. На атомной станции, первая очередь которой уже пущена, пар будет перегреваться непосредственно в самом реакторе. Этот пар пойдет в турбины. Первые 100 из 600 тыс. кет этой станции уже подаются к нашим заводам и городам.

У нас строится много чисто опытных ядерных реакторов. Уже работает атомный котел, в котором топливом служит плутоний, а теплоносителем – расплавленный натрий. Имеется и реактор на быстрых нейтронах – без замедлителя – с ртутным носителем тепла.

Оба эти реактора очень интересны. В них совсем нет замедлителя, – ядра плутония хорошо делятся самыми разнообразными нейтронами. Поэтому реакторы эти маленькие

Один из проектов новой атомной электростанции принадлежит группе советских ученых во главе с акад. А. И. Алихановым. Они предлагают сконструировать реактор с жидким замедлителем – тяжелой водой. Теплоносителем будет служить углекислый газ, а топливом будет дешевый необогащенный уран.

Кроме того, предполагается соорудить несколько электростанций с воспроизводящими реакторами. В них будет использовано самое распространенное атомное сырье – природный торий. За счет превращения тория здесь образуются ядра хорошо делящегося урана-233.

О будущем техники трудно гадать. Но перспективы развития атомной энергетики довольно ясны. Ядерные реакторы будут применяться все более и более широко. Особенно привлекают внимание специалистов воспроизводящие ядерные котлы. Многие технические трудности остались здесь позади. Одна из важных областей атомной физики – реакторостроение – уже полностью перешла в руки инженеров.

Однако самое заманчивое – это возможность получить управляемую термоядерную реакцию. Люди укротили атомную бомбу, создав реактор, в котором внутриатомная энергия выделяется точно размеренными дозами. Подобно этому они пытаются обуздать и водородную бомбу.

Это самая важная проблема современной энергетики. Впервые в нашей стране начали овладевать поистине неисчерпаемыми запасами энергии, получаемой при соединении ядер легких элементов. Замечательные открытия советских ученых дали возможность приступить к опытам по созданию управляемой термоядерной реакции. В мощном газовом разряде уже получены температуры в миллионы градусов.

И вот появились проекты «солнца на Земле». Сырья для термоядерных реакторов сколько угодно. Человечество обеспечено им на сотни миллионов лет, – воды на Земле хватает!

Это, пожалуй, самая перспективная отрасль недавно возникшей и бурно развивающейся атомной энергетики.

По материалам книги "Детская энциклопедия"