АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ

АТОМНЫЕ КОТЛЫ

Плутоний получают в атомных реакторах, или атомных котлах. В них, как и в бомбе, происходит цепной процесс деления ядер урана 235. Однако благо­даря специально принятым мерам, цепной процесс в котле протекает значительно медленнее, чем в бомбе. Поэтому им можно управлять, то-есть ускорять или за­медлять, останавливать и вновь пускать в ход.

Преимуществом котлов является то, что в них цепной процесс происходит в обычном природном уране, очищен­ном от всяких примесей. Французский учёный Ф. Жолио - Кюри и советские учёные Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Хари­тон показали, что цепной процесс может при известных условиях протекать и в неразделённом природном уране. Для этого надо, чтобы деление ядер урана 235 произво­дили чрезвычайно медленные нейтроны, которые наибо­лее эффективно действуют на эти ядра. Ядер урана 235 в природном уране значительно меньше, чем ядер урана 238. Но уран 235 поглощает очень медленные ней­троны значительно сильнее, чем уран 238. Это и позво­ляет осуществлять цепной процесс в природном уране.

Так как цепной процесс в котле происходит на мед­ленных нейтронах, скорость которых во много раз меньше, чем у нейтронов, взрывающих атомную бомбу, то такой цепной процесс протекает значительно медленнее и теряет характер взрыва.

Рассмотрим судьбу массивного куока урана, внесённого внутрь атомного котла. Поскольку никакого предвари­тельного разделения изотопов урана не производилось, в состав куска входят и уран 238 и уран 235. Медленные нейтроны могут делить только ядра урана 235. Поэтому именно он и является рабочим веществом, ведущим

Цепную реакцию в котле. Ядра урана 235 делятся, а вместо них внутри куска появляются радиоактивные осколки — ядра более лёгких элементов. Их обычно называют «ра­диоактивным шлаком».

Часть нейтронов, освобождаемых при деления, по­падает в новые ядра урана 235 и продолжает цепной процесс. Некоторая доля нейтронов вылетает за пределы котла и не принимает участие в цепной реакции. Осталь­ные нейтроны поглощаются ураном 238, превращая его в плутоний. Плутоний также накапливается внутри куока урана. Таким образом, в куске урана, внесенном в котёл, происходит постепенное исчезновение урана 235 и 238 и накопление радиоактивного, шлака и плутония. Куски урана периодически извлекают из котла и с помощью хи­мических реакций отделяют от него образовавшийся плу­тоний и радиоактивный шлак.

При делении ядер урана возникают быстрые нейтроны. В котле же необходимы нейтроны медленные. Для за­медления быстрых нейтронов, освобождаемых при деле­нии, в котёл вводят специальные вещества, замедляющие нейтроны. Эти вещества называют замедлителями.

Сталкиваясь с ядрами ато­мов замедлителя, нейтро­ны быстро теряют свою энергию. После двух-трёх десятков столкновений у них остаётся примерно миллионная доля перво­начальной энергии.

Наилучшим замедли­телем является тяжёлая вода. Входящие в состав неё ядра тяжёлого водо­рода быстро отбирают

Рис. 18. Центральная часть атомно - энергию у нейтронов и К

Го котла с замедлителем из графита. тому же почт Н€ погло_

Щают их. Но получение

Значительных количеств чистой тяжёлой воды сопряжено с очень большими расходами. Поэтому часто для замедле­ния нейтронов используют другое вещество— графит. Гра­фит— это кристаллический углерод, весьма распростра­нённый в природе. Например, из него делают грифели для простых' карандашей.

Центральная часть атомного котла обычно состоит из стержней урана, опущенных в бак с тяжёлой водой или окружённых со всех сторон графитом (рис. 18). Чтобы предохранить уран от загрязнения и окисления, его поме­щают в алюминиевые чехлы. Быстрые нейтроны, осво­бождаемые при делении ядер урана 23Б, попадают в за­медлитель, теряют в столкновениях с его ядрами почти всю энергию и возвращаются в какой-нибудь из брусков урана уже медленными. На рис. 19 показана примерная судьба трёх нейтронов, возникающих при делении ядра урана 235. Выйдя из урана в замедлитель, каждый нейтрон испытывает по нескольку упру­гих столкновений с ядрами ато­мов замедлителя и теряет при этом энергию. Один из медлен­ных нейтронов (крайний слева) проникает затем в урановый брусок и вызывает новое деле­ние ядра урана 235. Другой нейтрон (средний) поглощается ураном 238 и приводит к воз­никновению плутония. Третий (крайний справа) нейтрон ухо­дит за пределы котла.

Для управления цепной реакцией внутрь котла вво­дят стержни из кадмия или бористой стали. Кадмий и бор сильно поглощают медленные нейтроны. Когда такие стержни находятся внутри котла, они «съедают» большое число нейтронов, и цепной процесс прекращается. Чтобы ввести котёл в действие, надо медленно выдвигать из него эти стержни до тех пор, пока размещённые в разных ча­стях котла контрольные приборы, измеряющие количе­ство образующихся нейтронов, не укажут на начало цеп­ной реакции. Меняя положение стержней в котле, можно ускорять или замедлять происходящую реакцию.

Котёл, как и бомба, имеет критическую массу. Цепная реакция начинается в нём только при наличии определён­ного количества урана. Критическая масса природного урана в котле равна нескольким тоннам. Чтобы умень­шить её, котёл окружают специальной оболочкой, кото­рая отражает значительную часть уходящих из котла нейтронов обратно в котёл.

При работе котла возникают те же радиоактивные из­лучения, что и при взрыве атомной бомбы. Особенно серьёзную опасность для людей, которые работают вблизи котла, представляют нейтроны и гамма-лучи, в огромных количествах вырабатываемые котлом. Они способны про­ходить сквозь большие слои вещества. Поэтому прихо­дится замуровывать котлы в защитную оболочку толщи­ной в несколько метров. Обычно в состав оболочки входят

Бетон, кадмий или бористая сталь и свинец. Толстый слой бетона замедляет нейтроны и поглощает часть из них. Кадмий или бор «съедают» остальные медленные ней­троны, а свинец поглощает гамма-лучи. Если мощность котла невелика, защитная оболочка может целиком со­стоять из бетона.

Размеры и вес атомных котлов весьма значительны. Например, один из описанных в литературе котлов имеет форму куба, стороны которого равны 11 метрам. Из них 5 метров приходится на долю защитной оболочки. Такой котёл весит несколько тысяч тонн.

Деление ядер урана освобождает большое количество атомной энергии, которая, нагревая котёл до весьма вы­соких температур, может в короткий срок вывести его из строя. Поэтому необходимо интенсивное охлаждение котла. Если замедлителем является тяжёлая вода, то обычно часть её перекачивают с помощью насоса через теплообменник. Там она отдаёт своё тепло обыкновенной воде, превращая её в пар с высокой температурой. Охла­ждённая тяжёлая вода возвращается обратно в котёл, а

Полученный пар может быть использован для практиче­ских целей.

Если замедлителем служит графит, то охлаждение котла производится путём пропускания через него спе­циальных охлаждающих веществ (газов или жидкостей).

На рис. 20 показано устройство котла на тяжёлой воде, построенного в 1948 году во Франции под руковод­ством Ф. Жолио-Кюри. В центре котла расположен бак с тяжёлой водой, в которую опущены урановые стержни. Над баком висит аварийный стержень из кадмия, предна­значенный для быстрой остановки котла. Справа имеется другой (управляющий) кадмиевый стержень; перемещая его вдоль стенки бака, можно изменять скорость цепной реакции в когле. Уран и бак со всех сторон окружены толстым слоем графита, отражающим нейтроны обратно в бак. Снаружи котёл заключён в толстую защитную обо­лочку из бетона, в которой слева проделано несколько каналов. В одном из них находится прибор, регистри­рующий количество нейтронов и определяющий таким пу­тём интенсивность цепной реакции. Остальные каналы используются для облучения вылетающими из котла ней­тронами различных веществ, которые при этом становятся радиоактивными. Справа показана система охлаждения

Котла — насос и теплообменник. На рис. 21 изображён общий вид этого котла. На рис. 22 приведена схема котла, в котором замедлителем служит графит.