Владислав Кузнецов – Сокровищница XXI века (страница 7)
Пока для промышленных и иных целей будет идти энергетический поток освоенных источников, на Земле создадут искусственное Солнце — термоядерный реактор, а может быть, освоят и другой, еще более эффективный источник. Запасов энергии, скрытых в ядрах дейтерия, трития, хватит человечеству поистине па вечные времена.
АТОМНЫЙ КОТЕЛ
Так в начале атомного века называли ядерный реактор на тепловых нейтронах. И поныне это самый распространенный, самый освоенный тип реактора. Тепловые реакторы — сердце современных атомных электростанций.
В таком реакторе уран-235 захватывает нейтроны с энергией, близкой к энергии тепловых колебаний атомов замедлителя — вещества (обыкновенно графита или воды), окружающего уран, загруженный в реактор. При делении атомов урана рождаются быстрые нейтроны. Их энергия в сотни миллионов раз превосходит тепловую. В столкновениях с атомами замедлителя быстрые нейтроны постепенно теряют скорость и через некоторое время становятся тепловыми. Замедленные нейтроны с гораздо большей вероятностью, чем быстрые, прилипают к урану-235. В то же время с балластным ураном-238 степень взаимодействия остается незначительной. Это способствует протеканию цепной ядерной реакции в природном уране. Нейтроны малых энергий как бы выискивают среди пассивных атомов урана-238 ядерное горючее — уран-235.
Реактор высокой мощности на тепловых нейтронах — внушительное сооружение. Площадь здания, в котором он размещается, 20 тысяч квадратных метров, высота 34 метра. В активной зоне реактора 1337 каналов, в каждом — урановые стержни длиной около четырех метров. Пространство между стержнями заполнено замедлителем — графитом. Всего в реакторе 1400 тонн графита, около 100 тонн естественного урана. Мощность такого реактора порядка миллиона киловатт.
На каждый ватт мощности цепной реакции происходит 30 миллиардов делений ядер в секунду. Такое колоссальное число соответствует лишь одной тысячной микрограмма разделившегося урана. Активная зона реактора на тепловых нейтронах напоминает стены древних каменных зданий, только вместо белого камня в реакторной кладке — черные графитовые блоки. Форма кладки близка к кубу с ребром в несколько метров. Куб пронизывают отверстия, в них заложен уран в металлических оболочках, надежно предохраняющих его от взаимодействия с водой и воздухом. Нейтроны, родившиеся в уране, попадают в графит и отдают энергию легким ядрам углерода. Потеряв энергию, нейтроны вызывают новые деления урана-235 и поддерживают цепную реакцию. Деление ядер на осколки сопровождается интенсивным гамма-излучением. К реактору, работающему на мощности около десятой доли ватт, уже нельзя приближаться, если он не окружен слоем вещества, поглощающего гамма-лучи и нейтроны. Поэтому у мощного реактора многометровая бетонная защита. Неплохо поглощает нейтроны и обыкновенная вода. Так, в реакторах бассейнового типа активная зона погружена в воду на глубину в несколько метров. Когда мощность не слишком велика, слой воды такой толщины надежно защищает и от гамма-лучей и от нейтронов. Если подойти к краю бассейна работающего реактора, то в глаза бросается яркое сине-голубое свечение, исходящее от урановых стержней. Это излучение Черенкова. Расщепление ядер нейтронами сопровождается появлением энергичных гамма-квантов. Такие гамма-кванты вырывают электроны из оболочек молекул воды и придают им громадную скорость, чем и вызывается световое излучение.
Но в самой активной зоне реактора, где происходит деление ядер урана-235, видимого излучения нет. Осколки деления урана — атомные ядра с порядковыми номерами от нескольких единиц до 80.
Активная зона реактора — мир ядерных превращений. Часть нейтронов цепной реакции захватывают ядра урана-238. Нейтрон не изменяет атомного номера урана — получается изотоп уран-239. Новый изотоп нестабилен, испускает ядерный электрон — бета-частицу — и становится ядром первого трансуранового элемента № 93 — нептуния. Нептуний, в свою очередь, переходит таким же путем в плутоний-239, который распадается наполовину за 24 тысячи лет, — время достаточно большое, чтобы не беспокоиться о потерях. В отличие от урана-238 плутоний-239 делится тепловыми нейтронами и может служить отличным ядерным горючим. По своим «реакторным» характеристикам он даже превосходит уран-235.
Плутоний — родоначальник новых искусственных элементов, накапливаемых в ядерном реакторе. В обычном реакторе плутоний облучают месяцами, а то и долгие годы, чтобы получить высшие элементы. Но, оказывается, можно построить реакторы, в которых интенсивность нейтронов особенно велика и новые элементы накапливаются быстрее.
В нейтронных потоках ядерных реакторов производят почти все радиоактивные изотопы, применяемые в науке, технике, медицине.
Но главное, что дают тепловые реакторы, — энергия и новое ядерное горючее — плутоний.
Проследим путь, по которому энергия тяжелого атомного ядра, расщепившегося в активной зоне реактора, попадает к электрическим двигателям заводов, лампам, освещающим города и села, в радиаторы отопления наших жилищ.
В процессе деления ядра основная доля освобождаемой энергии переходит в кинетическую энергию осколков. Ядра-осколки летят со скоростью, примерно равной десятой доли скорости света. Осколки тормозятся в уране и веществе, окружающем уран. При торможении их энергия переходит в тепло. Тепло отводится водой, протекающей через активную зону. Горячая вода поступает в специальный теплообменник — парогенератор.
В активную зону первой в мире советской АЭС вода входит под давлением, нагретая до 130°С. На выходе из активной зоны температура повышается до 270°С. И все же вода не закипает и не становится паром. Она проходит по трубам парогенератора под давлением сто атмосфер. Высокое давление удерживает воду в жидком состоянии. Тепло от контура высокого давления передается через стенки труб воде под низким давлением, и она превращается в пар с давлением 12 атмосфер и температурой 260°С. Пар поступает в сопло турбины и движет ее колесо, вращающее вал генератора.
Из законов термодинамики следует — с увеличением температуры и давления растет коэффициент полезного действия. В современных АЭС и давление и температура пара значительно выше, чем у первенца ядерной энергетики.
Мощность первой АЭС, отдаваемая в электрическую сеть, всего 5000 киловатт.
Мощность больших современных атомных станций— таких, как Нововоронежская или Белоярская, в десятки раз превосходит мощность первой АЭС. Выше и температура и давление пара, приводящего в действие турбину. Коэффициент полезного действия современных атомных электростанций немногим меньше, чем у обычных, сжигающих химическое топливо (соответственно 32 и 39 %), хотя узлы тепловых станций отрабатывались столетиями.
ЯДЕРНЫЙ КОМПЛЕКС
Оказывается, можно построить реактор-размножитель, в котором из урана-238 или тория-232 накапливается больше ядерного горючего, чем сгорает.
Однажды Илья Муромец был побежден волшебными воинами. Рассечет богатырь мечом воина, а вместо одного появляются двое. В ядерном реакторе-размножителе все происходит, как и с волшебным войском: чем больше такой реактор вырабатывает тепла, тем больше в нем накапливается ядерного горючего.
Пока построены первые опытные реакторы-размножители. К середине 80-х годов, по оценкам ученых удастся создать совершенные реакторы такого типа. Тогда особенно возрастет роль ядерной энергии в нашей жизни. Огромный поток энергии промышленных реакторов-размножителей будет использоваться по-новому.
Представим себе громадный индустриальный комплекс будущего, совсем не такого уж и далекого. Энергию гигантский ядерный комплекс получает от реактора-размножителя в несколько миллионов киловатт. Вокруг энергетического центра расположены заводы и фабрики. Не видно привычных самосвалов, перевозящих сырье, топливо, руду. Доставка сырья и обслуживание комплекса предприятий другими материальными средствами осуществляются по подземным конвейерам и трубопроводам. Широкие транспортные тоннели соединяют городские кварталы со всеми производственными и общественными зданиями. Проблема загрязнения окружающей среды отходами производства решается использованием мощных очистительных сооружений. Энергии хватает на все. Добываются большие количества дешевого водорода. В его среде восстанавливается железная руда, выплавляется металл невиданной в наше время чистоты. Фосфор для химической промышленности и удобрений, карбид кальция, необходимый во многих производственных процессах, сталь, потребляемая машиностроением, — все это будет производиться в электрических печах. Сегодня только высокая стоимость электрической энергии ограничивает масштабы применения электростали самыми ответственными областями машиностроения, где нужен особо прочный, надежный металл.
Дешевая электрическая энергия — основа производства алюминия. Поэтому алюминий будет применяться еще шире, чем в наше время. Он пойдет на отделку зданий, изготовление мебели.
Изобилие энергии — это дешевые реактивы, необходимые мощным химическим заводам, электролитическая медь, синтетические материалы разнообразных видов.
Создавать комплексы предприятий будущего смогут только люди с глубокими знаниями, широким образованием— квалифицированные люди. В нашей стране принимаются все меры для роста квалификации кадров социалистической промышленности. В девятой пятилетке будет завершено введение всеобщего среднего образования. «Решение этой задачи, — подчеркивал тов. А. Н. Косыгин на XXIV съезде КПСС, — имеет огромное политическое и социальное значение. Осуществление всеобщего среднего образования предоставит каждому широкие возможности избирать профессию по призванию, наилучшим образом применять свои способности на благо всего общества». («Материалы XXIV съезда КПСС». М., Политиздат, 1971, стр. 180).