1631124647-66d575907c0c0646a184b8c463ba4648 (848584), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Для «разгона» реактора коэффициент размножения нейтронов должен превышать единицу (реально было 1,0006). При первом включении быладостигнута мощность 0,5 Вт, а через несколько дней – около 200 Вт. Далее повышатьмощность не стали из-за опасности облучения (никакой защиты не было).Реактор регулировался поглощающими стержнями, содержащими кадмий.
Этотэлемент очень активно ловит нейтроны (с сечением в сотни барн), и когда стержнивведены полностью, размножения не происходит. Постепенное извлечение стержнейуменьшает поглощение, и при некотором их положении реактор начинает разгоняться. Зафиксировать заданную мощность или вообще заглушить реакцию можно, сновавдвигая стержни.
Природные графит и уран приходилось чистить от кадмия, бора идругих естественных поглотителей. К концу 1942 г. были измерены сечения и полученыдостаточно чистые материалы, что и позволило построить котел.Критическая масса. Цепная реакция, развиваясь по экспоненте, может привести ковзрыву. Но ясно, что непрактично сбрасывать на противника ядерный реактор весомв сотни тонн. Делящийся материал следует концентрировать. При заданных составеядерного взрывчатого вещества и форме заряда существуют критическая масса и критический размер, при превышении которых «образец» взрывается. Например, для 235 Uв виде шара критический радиус около 9 см, а масса – около 50 кг.
Оценку этих параметров см. ниже, в приложении 1 к данной главе.В природном уране 0,72% легкого изотопа 235 U. Оказывается, что основной изотоп238U слишком устойчив, чтобы взрываться. Медленные нейтроны вообще не делят ядро238U, а попросту захватываются. Быстрые нейтроны делят, но с недостаточной вероятностью. Замедление же нейтронов в природной смеси, с тем чтобы реакция развиваласьхотя бы на 235 U, тоже неэффективно, так как нейтроны сильно захватываются тяжелым изотопом в промежуточной области энергий (десятки эВ).
(Для этого-то Фермии сделал реактор из блоков, чтобы нейтроны замедлялись вне урана, в графите). Ниприродная смесь, ни чистый тяжелый изотоп, ни тем более окись UO2 не размножаютнейтронов. Поэтому лишены почвы всяческие слухи о том, что на каком-то руднике понедосмотру собралась критическая масса и произошел взрыв. Не могут взорваться иурановые месторождения, так как уран не встречается вместе углеродом, по крайнеймере достаточно чистым (реакторным).
Хороший замедлитель – тяжелая вода (D2 O),она используется в канадских реакторах, но в природе встречается лишь как малаяпримесь к обычной воде. В большинстве современных реакторов замедлитель – обыч-2.6. Атомная энергетика. Термоядерные реакции83ная вода H2 O. Водород тоже слегка поглощает нейтроны, переходя в дейтерий. Поэтомуна природной смеси не получается цепная реакция и с водяным замедлителем. Приходится обогащать уран легким изотопом, чтобы реактор с водяным замедлителем все жеработал24 .Разделение изотопов. Итак, для бомбы и для реактора необходим обогащенный уран.Для обогащения вначале применялась газовая диффузия (просачивание через пористуюперегородку газа UF6 ). Молекулы, содержащие легкий изотоп, движутся быстрее и проходят через поры в большем количестве.
Так как массы изотопов различаются мало,разделение – довольно трудный процесс. При газодиффузионном способе за одну ступень отношение концентраций возрастает в 1,0043 раза в самом благоприятном случае,а практически где-то в 1,002. Пришлось строить заводы, уже похожие на целые города.Например, только одно здание K-25 Клинтонского завода (Окридж, шт. Теннеси) имелокилометровые размеры и содержало 16 гектаров диффузионных перегородок, при 3000ступенях разделения.Дополнительная очистка делалась на электромагнитных установках.
Радиус окружности, по которой движется ион в магнитном поле, зависит от массы. Здесь можнодостигать почти полного разделения за один шаг, но зато мала производительность.Например, при токе 1 ампер разделяется (3 · 109 /4,8 · 10−10 ) · 1,6 · 10−24 · 235 г/сек =2,35 миллиграмма в секунду.
Если начать с природной смеси, то для получения 50 кг235U такая установка должна работать 1000 лет, или надо 1000 установкам работатьодин год. Практически сначала обогащали природную смесь диффузией до несколькихпроцентов, а потом применяли электромагнитное разделение. Завод (в том же месте)получился не меньше диффузионного.Плутоний. Одновременно готовился альтернативный вариант. Те нейтроны, которыезахватывает в реакторе 238 U, не пропадают даром. Получается изотоп 239 U, крайненеустойчивый к β-распаду (период полураспада всего 23 мин.):β 23923823992 U + n → 92 U → 93 Np .Образуется 93-й элемент, который практически обнаружил Ферми еще в 1935 г. Таккак он следует за ураном, его назвали нептунием (по аналогии с порядком планет вСолнечной системе). Нептуний тоже распадается, примерно за двое суток:β 23923993 Np → 94 Pu ,уже в 94 элемент – плутоний. Имея четный номер, плутоний стабильнее нептуния –период его полураспада 24000 лет.
Плутоний можно накапливать. Он подходит длябомб еще лучше, чем уран – 235 (легче делится нейтронами).В реакторах значительная доля нейтронов деления поглощается с образованиемплутония (выходит порядка одного ядра Pu на два распада урана). На самом деле выход больше, но часть плутония «сгорает», делясь медленными нейтронами, в точностикак 235 U. Этим уменьшается добыча, но в то же время поддерживается работа реактора.24В далеком прошлом без этого можно было обойтись, см. следующий параграф.Глава 2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА84Таким образом, «негорючий» 238 U перерабатывается в делящийся материал. Плутоний– это другой элемент, и для его отделения от урана есть химические способы (хотя нестоль эффективные, потому что оба они – члены группы актиноидов, в которой заполняются внутренние электронные оболочки).
Все же это легче, чем выделить изотоп, укоторого вообще все электроны такие же.Ферми продемонстрировал возможность работы реактора на природном уране. Еговоенное значение состояло в перспективе получения плутония. Масштаб даже первыхпромышленных реакторов был совершенно другим (например, для охлаждения требовалось такое количество воды, которое потребляет небольшой город). Действительно,один грамм плутония – это порядка 200 (МэВ) ·1,6 · 10−6 /(1,6 · 10−24 · 239) = 1018 эрг,то есть грамм плутония в сутки соответствует мощности 106 Вт. В Хэнфорде на реке Колумбия (шт. Вашингтон) были построены три реактора для наработки плутония(первый заработал в сентябре 1944) и предприятие, где проводилось выделение плутония, под общей вывеской «Хэнфордский механический завод».
Применение урана иплутония в бомбах описано в приложении 1.2.6.2Атомная энергетикаПервые реакторы были машинами для накопления плутония. Выделяемое тепло попросту нагревало окружающую среду. Позднее его научились использовать.Ядерные реакторы. Энергетический реактор, как и обычный паровой котел, греетводу и производит пар. В идеале реактор имеет два контура. В первом вода нагреваетсятеплом, выделяющимся при цепной реакции. Нагрев происходит в активной зоне, представляющей из себя решетку твэлов – тепловыделяющих элементов, содержащих уранв виде окиси, обогащенной до нескольких процентов.
Твэлы имеют длину в несколько метров, толщину порядка сантиметра, и объединяются в тепловыделяющие сборки(ТВС). Загрузка урана обыкновенно порядка сотен тонн. В нормальном режиме твэлынагреты до нескольких сотен градусов. Вода одновременно служит и теплоносителем(отбирая тепло от твэлов), и замедлителем нейтронов. Активная зона помещена в прочный корпус диаметром в несколько метров. В реакторах с водой под давлением (PWR,или ВВЭР) поддерживается давление выше линии равновесия вода – пар, чтобы былдостаточный теплообмен (с жидкой водой). Типичны условия: P = 150 атм, T = 320 С(при 150 атм температура кипения 342 С, а при 320 С равновесное давление 115 атм).Постоянное движение воды обеспечивают циркуляционные насосы (см.
рис. 2.5 на стр.104).Вода первого контура обычно радиоактивна из-за почти неизбежных дефектов оболочек твэлов. Нагретая вода поступает в парогенератор – теплообменник. Это набортрубок, закрепленных в так называемых трубных досках. Через стенки трубок теплопередается воде второго контура, в норме нерадиоактивной. При этом получается пар,2.6. Атомная энергетика. Термоядерные реакции85который вращает турбину. Естественно, давление во втором контуре заметно ниже.Остывший пар после турбины еще охлаждается в конденсаторе и уже в виде жидкойводы снова загоняется насосами в парогенератор.Схема обычной тепловой станции проще, так как нужен только один контур (нетрадиоактивности); в ней котел – это и есть парогенератор. Поэтому кпд атомной электростанции несколько ниже.
Но зато расход топлива несопоставим: тепловой станциинужен эшелон угля в час, а атомной – примерно вагон твэлов раз в квартал.Запаздывающие нейтроны. Как уже говорилось, активная зона регулируется специальными стержнями – поглотителями нейтронов. Не мешает задуматься, как вообщеможно управлять таким быстрым процессом? Для реактора на тепловых нейтронахскорость их порядка километра в секунду, пробег – несколько сантиметров. Для замедления нужно 10 – 100 соударений, так что характерное время меньше миллисекунды.Реактор весьма приближенно описывается уравнением:dNN= (K − 1) ,dtτгде N – число нейтронов, K – коэффициент их размножения (с учетом того, что частьвылетает, другая часть поглощается в стержнях и т.п.), а время τ – доли миллисекунды.Так как каждый нейтрон произошел от реакции, мощность реактора пропорциональна N.
Время разгона будет τ /(K − 1). Миллисекунда будет при большом K, заметноотличающемся от 1. Для приемлемого значения 100 секунд надо, чтобы K был равенединице с точностью 10−5 . Это тоже трудно выполнимо.Удобнее вместо K ввести реактивность ρ = (K − 1)/K. Поскольку коэффициентразмножения всегда близок к 1, уравнение можно упростить:NdN=ρ ,dtτи в таком примитивном приближении время разгона равно τ /ρ.К счастью (или несчастью, как посмотреть) не все нейтроны вылетают мгновенно.Небольшая доля β (≈ 1,5% для урана 235) из них запаздывают, вылетая из нестабильных ядер через время порядка секунды (в среднем 2,5 с для 235 U).
Именно запаздывающие нейтроны позволяют управлять реактором. Удивительна тонкая компенсацияэффектов, которая из характерного времени распада (10−13 с) делает время человеческого масштаба. Ясно, что предвидеть такое нельзя, и поэтому Резерфорд вполнеобоснованно пессимистически оценивал перспективы ядерной энергетики. Если можнотак выразиться о явлении природы, это случайность.Более внимательное рассмотрение работы реактора приводит к уравнениям:NCdN= (ρ − β) + ,dtτTdCNC=β − .dtτTИз N нейтронов часть производит мгновенные осколки, которые дают N (ρ − β) новых, ачасть делает запаздывающие ядра в количестве βN за время τ ; C – это количество ядер сГлава 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
