Атомная электростанция

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 все известные мировые запасы угля и нефти. Но уран пока еще дорог, переработка его сложна.

Как устроены реакторы. Ядерный реактор

Механизм деления ядер урана в реакторе.

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.

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.

Разрез уранового атомного реактора.

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.