Ядерные реакторы - страница 26
может быть использован радий или полоний, дающие большое количество альфа-частиц. Такой источник обычно состоит из смеси порошка бериллия с солями радия или полония. Маленькие стеклянные или металлические ампулы наполняются смесью и откачиваются до высокого вакуума. Нейтроны почти без потерь проходят через стенки сосуда. Однако наиболее мощные из современных искусственных источников нейтронов дают всего примерно 10>9 нейтронов в секунду. Но в одном грамме плутония содержится около 3∙10>21 ядер. Легко подсчитать, что даже в том случае, если все добытые нейтроны будут поглощаться ядрами урана>238, нужно миллион лет, чтобы накопить примерно один грамм ядерного горючего — плутония>239.
Для получения нейтронов можно применить очень мощные ускорительные установки, но и в этом случае понадобится 10 лет непрерывной работы для изготовления одного грамма плутония>239 или урана>233. Таким путем нельзя создать запас больших количеств искусственно расщепляющихся материалов.
К счастью, сам цепной процесс дает нам в руки мощное средство для изготовления ядерного горючего. В самом деле, ядерный реактор является мощным источником нейтронов. Легко подсчитать, что на каждый киловатт-час выделенной реактором энергии должно разделиться примерно 10>17 ядер урана>235. Но при каждом делении в среднем освобождается 2,5 нейтрона. При работе уранового котла один из этих нейтронов производит новое деление, то есть идет на поддержание цепной реакции. Из оставшихся 1,5 нейтрона один будет поглощен замедлителем, регулирующими стержнями и примесями, а примерно 0,5 нейтрона поглощается в уране>238 с последующим образованием плутония>239.
Таким образом, даже очень маленький реактор мощностью в один киловатт за один час производит 0,5∙10>17 ядер плутония>239. В одном грамме плутония содержится около 3∙10>21 ядер. Поэтому один грамм нового ядерного горючего образуется за пять — шесть лет.
Если же создать реактор, имеющий тепловую мощность в 1 миллион киловатт, то он даст в сутки около 500 граммов нового ядерного горючего.
Надо учесть, что плутоний и уран — различные химические элементы и их сравнительно легко можно отделять химическими способами. Химическая обработка бывших в работе урановых стержней, в которых образуется плутоний>239, обходится значительно дешевле, чем разделение изотопов.
Таким образом, гораздо выгоднее получать ядерное горючее в ядерных реакторах, нежели производить разделение изотопов урана в весьма сложных и громоздких установках.
Размножающие (бридерные) реакторы. Мы видели в нашем примере, что из 2,5 нейтрона, выделяющихся при делении ядра урана>235, в среднем один нейтрон идет на поддержание цепной реакции, то есть на новое деление. Один нейтрон поглощается или выходит за пределы активной зоны реактора и только 0,5 нейтрона идет на получение плутония>239. Таким образом, каждые два ядра урана>235 дают одно ядро плутония>239, то есть при расщеплении одного килограмма легкого изотопа урана получается 500 граммов искусственного горючего.
Нельзя ли так построить ядерный реактор, чтобы в нем «сгоревший» уран>235 полностью заменялся новым ядерным горючим? Нетрудно догадаться, что в этом случае для получения атомной энергии можно было бы полностью использовать не только ничтожные количества урана>235, но и весь природный уран и торий.
В этом случае имеющиеся на земле запасы ядерного горючего были бы увеличены в несколько сот раз.
Оказывается, это вполне возможно.
Для восстановления ядерного горючего необходимо, чтобы каждое деление урана>235 приводило к образованию хотя бы одного ядра плутония>239 или урана>233. Иначе говоря, один из нейтронов, получившихся при делении, должен быть поглощен ураном>238 или торием>232, которые затем превращаются в ядра плутония>239 или урана>233. Но для существования цепной реакции, как мы знаем, необходим второй нейтрон, который будет производить деление урана>235. Тем самым из образующихся в среднем 2,5 нейтрона при каждом делении два нейтрона должны быть использованы в этих двух процессах. Но в ядерном реакторе имеются различные потери нейтронов, и весьма существенным источником потерь является сам уран