Атомные реакторы — рождение и развитие

http://www.olav-smt.narod.ru/ris/image001.jpg
Описывая некоторые подробности того, что происходит в атомном реакторе, как образуется, из чего состоит отработанное ядерное топливо (ОЯТ), как его можно перерабатывать с пользой для дела, «Геоэнергетика» следовала общей практике, рассказывая о ВВЭР – водно-водяном энергетическом реакторе. «Водно-водяным» этот реактор назван потому, что в обоих его контурах используется самая обычная вода – она в нем и замедлитель, и теплоноситель.

Почему рассматривается именно ВВЭР? Да просто потому, что реакторов именно этого типа в мире больше, чем всех остальных.

После этой фразы обычно начинают речитативом-скороговоркой бегло, кратко, рассказывать про другие типы реакторов.

Их не так уж и мало: есть реакторы, работающие на «быстрых» нейтронах, есть реакторы с «кипящим теплоносителем», есть реакторы с графитовым замедлителем, есть реакторы, использующие уран разной степени обогащения и даже такие, где используется и вовсе природный, не обогащенный уран.

Могли бы и мы поступить ровно так же, дополнительно украсив эти технические скороговорки аббревиатурами на русском и английском языках, накидав побольше красивых картинок и заумных схем. Многим такое нравится, многие старательно делают вид, что после такого рода статей им все стало ясно про эту самую атомную энергетику. Да вот только чаще всего это самообман, не более того.

Мы попробуем создать список «детских» вопросов, постараться ответить на них, и только потом, уяснив суть происходящего, вернемся к обозрению разных типов реакторов. Про эти разные типы знать надо, поскольку ОЯТ в них получается не совсем одинаковым, потому и перерабатывать ОЯТ разных типов реакторов приходится по разному, единой технологии создать не удастся.

Впоследствии это знание пригодится еще и для того, чтобы понять причины, по которым доля мирового рынка ядерного топлива у Westinghouse в два раза больше, чем у нашего ТВЭЛ.

Итак, вот небольшой список «детских» вопросов про атомную физику от «Геоэнергетики». Почему в реакторах используется именно уран? Почему в изотопе урана-235 цепная реакция идет, а в атомах других химических элементов она затухает? Зачем в реакторах используется нечто, что именуется «замедлителем»? Почему эти замедлители – разные? Что замедляют замедлители и почему это «что-то» такое быстрое, что его надо замедлять, а не ускорять?

Если замедлитель так уж необходим, то зачем нам понадобились эти самые «реакторы на быстрых нейтронах»? Почему на реакторах с графитовыми замедлителями оказались возможны взрывы что в США, что в СССР и исключены ли возможности таких катастроф на ВВЭР? Какие реакторы работали на АЭС «Фукусима» и что там, собственно говоря, произошло?

Хватит, наверное, хотя можем от щедрот душевных продолжать и продолжать. Это мы все к тому, что твердо убеждены в двух непреложных фактах:

1. Чтобы понимать современную атомную энергетику, оценивать конкурентную борьбу разных типов реакторов – атомную физику в некотором объеме надо знать и понимать;


2. Чтобы понимать атомную физику в этом объеме, никакие бешеные формулы квантовой механики, теории вероятности и прочих матричных методов исчисления не нужны, вполне хватит 4-5 фактов из школьного курса физики и здравой логики.

Ну и, само собой, еще необходимо легкое снисхождение к пишущему эти строки. Он старается, но это у него дебют. Или почти дебют.

Что нужно вспомнить из школьного курса?

Атом – это ядро и электроны, мечущиеся вокруг него по орбитам. Электроны электрически заряжены отрицательно, ядро – положительно, потому, если усреднить, получим «нуль», атом электрически нейтрален. Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, разноименно заряженные частицы – притягиваются.

Ядро атома состоит из положительно заряженных частиц, которые физики назвали протонами («pro» – «за», если припомнить еще и латынь) и частиц, не имеющих электрического заряда вовсе. Эти электрические нейтральные частицы названы весьма оригинально – «нейтронами». Наверное, во славу капитана Очевидность.

http://geoenergetics.ru/wp-content/uploads/2017/03/04.jpg
Строение атома


Все, перечисленного в этом абзаце вполне достаточно, дальше только логика и здравый смысл. Сложно? Уверены, что нет, как не будет ничего сложного и далее. Описывать ядро атома во всем его многообразии нужды нет, вполне достаточно упрощенной модели, которую в 1928 году предложил советский физик Георгий Гамов. Гамов вскоре после этой придумки стал физиком американским – видите, насколько опасно атомное ядро?!

http://geoenergetics.ru/wp-content/uploads/2017/03/gamov-e1490621623309.jpgГамов предложил модель-каплю, которая прекрасно нам подойдет.

Смотрите: ядро атома напичкано одноименно (положительно) заряженными протонами, но они, как ни странно, не разлетаются в разные стороны, а держатся вместе, причем держатся весьма основательно.

Силы, удерживающие их вместе, по своей сути схожи с силами поверхностного натяжения, не дающими капле воды распасться на отдельные молекулы.

Каплю росы все видели, так ведь? Висит она такая себе красивая на кончике травинки или на краешке листика, поблескивает на солнышке. Но капля ведь не может быть сколь угодно большой, стоит добавить в нее микроскопическую «брызгу» — и капля растечется по листику-травинке.

Ровно то же самое и с ядром атома. Чем оно больше, тем больше в нем протонов, тем более хрупким становится равновесие между силами электрического отталкивания и силами поверхностного натяжения.

Самый тяжелый в природе химический элемент, в ядре атома которого самое большое количество протонов – это уран-238. В его ядре напиханы 146 нейтронов и 92 протона. Уран-238 – все еще «капля», но «капля» неустойчивая, вся поверхность которой находится в непрерывном движении. Самое незначительное вмешательство – и эта капля выйдет из равновесия, разделится на несколько более мелких капелек.

Нейтрон был открыт в 1932 году, с той поры природа атомного ядра становилась для физиков все более понятной, открытия сыпались одно за другим. Эрнест Лоуренс, работавший в Калифорнийском университете в Беркли, изобрел новый тип ускорителя – циклотрон, который на долгое время стал одним из основных инструментов для физиков-ядерщиков.

Эксперименты в ту пору значительно обгоняли теорию, и это совершенно понятно и логично. Пока ботан-теоретик иссушал мозг волновыми функциями и прочими тройными интегралами, экспериментатор разгонял в ускорителе, чтобы от души бабахнуть им по мишени, состоящей из атомов того или иного химического элемента. ХРЯСЬ!!!

Мальчишки всегда любили пострелять и повзрывать, а физика всегда была пристанищем для самых разных шалопаев. Результат очередного «хрясь» на стол теоретику – бах, мишень поменял, очередной протон разогнал, и вот уже очередной «хрясь» и бах. Теоретики злились, бурчали что-то скверное под нос, но работали – искали закономерности в «хрясях», чтобы утереть нос экспериментаторам и научиться заранее предсказывать, что получится в результате того или иного опыта.

Кто из теоретиков проболтался экспериментаторам об открытии нейтрона – науке точно неизвестно. Вряд ли он долго протянул, свои же и придушили в укромном уголке, потому как экспериментаторы, узнав о такой сногсшибательной новости, свои «хрясь» мгновенно превратили в «хрясь-хрясь-хрясь». Они ведь до этого на ускорителях разгоняли протоны, которые тоже с «плюсом», как и ядро-мишень.

Подлетает ускоренный протон к мишени, а та р-р-раз, и увела его чуть в сторону, перекосив весь «хрясь». Теоретики сразу в крик: «Почему ваши «хряси» при одинаковых условиях дают разные результаты?! Вы закусывать не пробовали, бестолочи?!» А нейтрон-то нейтрален, «хряси» стали получаться просто идеальными, теоретикам пришлось заткнуться и только поскрипывать перышками. Ну, и понеслась…

http://geoenergetics.ru/wp-content/uploads/2017/03/Fermi_E.-P002.jpgСамым знатным специалистом по ядерно-ускорительным «хрясям» с нейтронами был итальянец Энрико Ферми, у себя в Риме учинивший просто беспредельное количество экспериментов.

Делал он это настолько же азартно, насколько и безупречно чисто, и только Нобелевская премия чуточку его успокоила. Начинал он с мишеней из самых легких химических элементов, постепенно переходя ко все более тяжелым, раз за разом ставя один и тот же вопрос: как влияет на ядро атома удар по нему скорострельным нейтроном.

А если чуть быстрее или медленнее – что тогда? К 1934 году Энрико добрался до урана-238 и обнаружил, что ядро-мишень принимает нейтрон вовнутрь себя, становясь еще более тяжелым элементом. Ферми назвал такие элементы трансурановыми, этой традиции следуем и мы, хотя для русского уха более любо звучало бы «заурановые элементы»

Чтим, в общем, первооткрывателя и первоназывателя.

Разумеется, у Ферми была масса последователей по всему белу свету. В Германии одним из таких экспериментаторов был Отто Ган, работавший в Берлине в институте химии Общества имени кайзера Вильгельма в паре с первой в истории Германии женщиной профессором физики Лизой Мейтнер. Ну, классическая пара, если честно.

Мужчина «Хрясь!», женщина: «Ой, а что это было? Что ты сделал с моей любимой тарелочкой, пока меня дома не было?! А, ты уже новую купил, тогда ладно. Дай-ка сюда осколочки, посмотрю – может, склеить получится…».

С 1935 года Ган занялся бомбардировкой нейтронами только и исключительно урана-238, рассчитывая получить из него радий. Уран-238 – это 92 протона и 146 нейтронов, радий-226 (самый устойчивый изотоп) – это 88 протонов и 138 нейтронов, и Ган был уверен, что все у него получится. Но уран-238 не желал подчиняться задумке, и Ган впал в раж: менял скорости и число нейтронов, увеличивал и уменьшал чистоту мишени.

В 1936 в пылу работы он, несколько неожиданно для себя, обнаружил, что «Бах!» по столу Лизы не получается: нюрнбергские «Законы крови» заставили ее эмигрировать прочь из родной Германии и перебраться в Швецию. Озадаченный этим обстоятельством, Ган сам попробовал разобраться, чего это он «нахрясил». Получилась какая-то совсем уж полная ерунда: вместо радия-226 результатом эксперимента стал … барий-138, 56 протонов и 82 нейтрона в ядре.

Сто раз перепроверив результат, Ган окончательно запутался и написал обо всем этом Лизе подробное письмо. Получила она его накануне Рождества 1938 года, как раз когда в гости к ней пожаловал ее родной племянник Отто Фриш, который, побыв какое-то время одним из безработных физиков-ядерщиков неарийского происхождения в Германии, сумел стать сотрудником самого Нильса Бора.

В сочельник 1938 года Мейтнер и Фриш на обрывках бумажек, найденных в карманах во время совместной прогулки по зимнему лесу, сумели объяснить результаты эксперимента Отто Гана. Исходили они из модели ядра-капли Гамова и постулатов специальной теории относительности Эйнштейна. Удар ускоренного нейтрона действительно заставил ядро урана-238 разделиться практически пополам, при этом масса осколков оказалась меньше массы начального ядра, поскольку часть массы превратилась в чистую энергию.

Так началась атомная эра человечества, так началась гонка за созданием и обладанием атомным оружием. Да, часть массы, переходящей в энергию при делении ядра урана-238, микроскопична. Но количество этих ядер в одном грамме урана – миллиарды, а потому суммарная энергия получается поистине колоссальной, в тысячи раз большей, чем при любой химической реакции.

Фриш, вернувшись в Копенгаген, показал расчеты Нильсу Бору, который пришел в восторг и просто заставил Отто и Лизу немедленно написать статью для журнала Nature, которая и была опубликована 11 февраля 1939 года. Тут же последовала серия экспериментов в независимых лабораториях сразу нескольких стран. Да, деление ядра урана-238 имеет место быть, Да, выделение дополнительной энергии и потеря части массы четко фиксируются.

Почему в изотопе урана-235 цепная реакция идет, а в атомах других химических элементов она затухает?

Датчанин Кристиан Меллер стал первым ученым, который выдвинул предположение о том, что при делении ядра урана-238 могут выделиться 1-2 свободных нейтрона, которые, в свою очередь, могут вызвать деления «второго поколения», превратив единичный акт деления в цепную реакцию.

Теоретическую идею тут же решили проверить на практике – по миру начались новые и новые эксперименты. Достаточно быстро была выявлена странная закономерность. Разгоняем нейтрон – уран делится. Разгоняем нейтрон сильнее – уран делится активнее.

Разгоняем еще сильнее – он перестает делиться. Гоним нейтроны медленнее, чем в самый первый заход – всплеск активности деления, причем в разы. И вот тут в работу вступил гений Нильса Бора, который, напомним, сходу согласился признать первенство в теме деления ядер урана Мейтнер и Фиш. Чужие лавры ему не требовались, тема была интересной – и ему этого вполне хватало.

Именно Нильс Бор стал тем человеком, который теоретически, умозрительно дал объяснение происходящему: все дело в редком изотопе урана – уране-235. В ядре урана-235 баланс между силами отталкивания и натяжения, по мнению Бора, намного более хрупок, чем в ядре урана-238: три дополнительных нуклона создают в ядре последнего некий энергетический барьер для «постороннего» нейтрона, которым его бомбардируют. Чтобы преодолеть этот барьер, нейтрон должен мчаться с приличной скоростью, на медленные нейтроны уран-238 просто «не обращает внимания».

А у урана-235 такого дополнительного барьера нет, даже неторопливый нейтрон легко ассимилируется его ядром с последующим продолжением в виде деления-развала. И второе теоретическое предположение Бора, впоследствии многократно проверенное, оказавшееся полностью верным – особенности поведения урана непосредственно связаны со сложным строением его ядра.

Не будем вдаваться в подробности, но в ядерной физике частенько важную роль играет некое подобие игры в «чет-нечет», имеет она место и в данном случае. «Принимая» в себя дополнительный нейтрон, атом урана-238 превращается в изотоп уран-239: было 92 протона и 144 нейтрона, после «приема» нейтронов стало 145, нечетное число.

Ядра с нечетным количеством нейтронов значительно устойчивее к распаду, потому уран-239 делиться не желает. А с ураном-235 картинка получается полностью противоположной: до прилета дополнительного нейтрона у него в ядре 141 нейтрон, по приему гостя их становится 142, четное количество. И этот новый изотоп – уран-236 с удовольствием разваливается на куски, что и фиксировали экспериментаторы.

http://geoenergetics.ru/wp-content/uploads/2017/03/8272998_orig.jpg
Цепная ядерная реакция


Догадки Нильса Бора были многократно проверены, результаты полностью совпадают с теорией. Какие последовали сугубо практические выводы? Сразу два.

• Первый: хочешь получить деление урана и вожделенную дополнительную энергию в невероятном количестве – будь добр обеспечить в уране большое количество изотопа урана-235;


• Второй чуть сложнее. При распаде ядра урана-235 возникает от 2 до 4 свободных нейтронов, но скорость у них получается самой разной – как повезет, что называется.

Но быстрые нейтроны вот этого «второго поколения» примет на себя уран-238, они в нем и застрянут. Урану-235 нужны нейтроны медленные – только они обеспечат продолжение реакции деления, сделают ее цепной. Значит, нужно а) научиться увеличивать содержание в уране его изотопа-235 (напомним, если кто забыл, что в природном уране такого изотопа содержится не более 0,7%) и б) придумать некий замедлитель нейтронов.

Зачем в реакторах используется нечто, что именуется «замедлителем»?

Это вовсе не некий ловкий дядька, пинцетом придерживающий слишком резвые нейтроны – маловаты они для пинцета, и больно этих нейтронов много. Как замедлить чертяку?

Давайте представим себе нейтрон как пулю, которая несется к мишени. Мишень – это у нас ядро атома. У столкновения нейтрона с ядром, собственно говоря, есть два варианта развития событий. Мишень принимает в себя нейтрон и спокойно ждет следующую «пулю», либо мишень оказывается настолько крепкой, что нейтрон от нее отскакивает и летит под каким-то там углом в сторону.

Ударился – передал часть своей энергии, сам стал чуточку более медленным. Ударился в таком режиме несколько раз – стал медленным, и вот после этого получил «пропуск» на пролет и столкновения с ядрами урана.

Физики обозвали такой процесс «упругим рассеиванием», вполне подходящий термин. Логично выглядит и строение активной зоны реактора: слой замедлителя – слой обогащенного по изотопу-235 урана – слой замедлителя – слой урана.

http://geoenergetics.ru/wp-content/uploads/2017/03/slide_2.jpg
Схематическое устройство гетерогенного реактора на тепловых нейтронах, Рис.: myshared.ru


Не менее логично, что нужно учесть еще одно обстоятельство: угол, под которым ускоренный нейтрон отскакивает от ядра атома замедлителя, может оказаться таким, что он полетит не по направлению к слою урана, а черт-те куда, покидая активную зону.

Это тоже безобразие, ведь для того, чтобы реакция деления была цепной, важен каждый медленный нейтрон. Это дополнительное условие касается уже конструктивных особенностей активной зоны реактора, что, собственно говоря, мы и видим у атомных энергетических реакторов разных типов.

Ядерщики быстро установили, что есть всего два кандидата на роль замедлителя: так называемая «тяжелая вода» и химически идеально чистый самый обычный графит.

Если есть у кого под руками простой карандаш, взгляните на его грифель с почтением – много-много точно таких же стержней сыграли большую и важную роль в создании как атомной энергетики, так и грозной атомной бомбы. Со времен, когда физики только осваивали тайны ядра, прошло не так уж мало времени, но законы физики неизменны.

Для реакции деления нужен уран, в котором много больше, чем в природном, изотопа уран-235. Чтобы реакция деления шла в цепном режиме, нужен замедлитель. Чтобы реактор не имел совсем уж гигантских размеров, нужен «отражатель» — материал, который не даст свободным нейтронам разлетаться за пределы активной зоны.

Чтобы иметь возможность прекратить или замедлить цепную реакцию деления, нужен еще и поглотитель: материал, который «скушает» все медленные нейтроны быстрее, чем они доберутся до урана-235. Чтобы АЭС работала долго, надо иметь возможность вытащить из реактора отработавшее топливо и поместить в него новую порцию топлива свежего. Чтобы использовать энергию деления урана себе на пользу, человек должен уметь снять это тепло при помощи того или иного теплоносителя.

Если вы присмотритесь, «Геоэнергетика» ответила почти на все «детские вопросы», аккуратно убежав от всего, что касается темы реакторов на быстрых нейтронах. Это не потому, что у нас тут у всех зрение плохое, просто эта тема не менее объемная, а заметка и так получилась достаточно длинной.

Мы рассмотрели достаточно многое, чтобы понять, отчего у нас так много разных типов реакторов, ведь, осваивая тайну управления цепной реакцией деления, физикам было, чем «поиграться»: замедлители, поглотители, отражатели, теплоносители, материал корпуса реактора.

В разных странах эти игры имели те или иные особенности, при этом еще и постоянно росли требования по радиационной безопасности, потому мир атомных реакторов и получился достаточно разнообразным. Какие-то типы реакторов устаревают, что называется, морально: их конструкционные особенности не позволяют обеспечить, к примеру, высокий КПД или нужную степень безопасности – и они уходят в прошлое, становясь музейными экспонатами. Ученые и конструкторы с инженерами разрабатывают и новые типы реакторов – этого требует и радиационная безопасность, и безопасность энергетическая.

Мы ведь помним, что объем третьей по счету от Солнца планеты большой, но конечный, а потому и конечны запасы имеющихся в нашем распоряжении энергетических ресурсов. Бесконечная война за них продолжается, но ученые атомщики пытаются предложить человекам уйти от нее – замкнуть ядерный топливный цикл, чтобы обеспечить нас запасами энергии сразу на несколько тысячелетий.

А мы, как нам кажется, теперь теоретически замечательно подкованы, чтобы в следующей заметке разобраться с этими самыми разными типами наших любимых атомных реакторов. И, совсем уж напоследок: если кому-то интересны подробности предвоенной атомной гонки – мы готовы рассказать и о них.

Б. Марцинкевич

***

Источник.