Ядерные реакторы

Для получения нейтронов можно применить очень мощные ускорительные установки, но и в этом случае понадобится 10 лет непрерывной работы для изготовления одного грамма плутония²³⁹ или урана²³³. 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 10¹⁷ ядер урана²³⁵. 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 уране²³⁸ с последующим образованием плутония²³⁹.

Таким образом, даже очень маленький реактор мощностью в один киловатт за один час производит 0,5∙10¹⁷ ядер плутония²³⁹. В одном грамме плутония содержится около 3∙10²¹ 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 плутоний²³⁹, 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 урана²³⁵, 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 плутония²³⁹. Таким образом, каждые два ядра урана²³⁵ дают одно ядро плутония²³⁹, то есть при расщеплении одного килограмма легкого изотопа урана получается 500 граммов искусственного горючего.

Нельзя ли так построить ядерный реактор, чтобы в нем «сгоревший» уран²³⁵ полностью заменялся новым ядерным горючим? Нетрудно догадаться, что в этом случае для получения атомной энергии можно было бы полностью использовать не только ничтожные количества урана²³⁵, 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 урана²³⁵ приводило к образованию хотя бы одного ядра плутония²³⁹ или урана²³³. Иначе говоря, один из нейтронов, получившихся при делении, должен быть поглощен ураном²³⁸ или торием²³², которые затем превращаются в ядра плутония²³⁹ или урана²³³. Но для существования цепной реакции, как мы знаем, необходим второй нейтрон, который будет производить деление урана²³⁵. 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 уран²³⁵, так как его ядра могут также поглощать нейтроны. При этом деления не происходит, а образуется ядро изотопа урана²³⁶, излучающее гамма-квант:

Уран²³⁵+нейтрон¹→уран²³⁶+гамма-квант.

Новые нейтроны в этой реакции не освобождаются.

В реакторе, где должно происходить восстановление ядерного горючего, все эти потери не должны превышать 0,5 нейтрона из числа нейтронов, получающихся в каждом акте деления, то есть не больше 20 процентов образующихся в реакторе нейтронов. Очевидно, надо найти возможности существенно уменьшить эти потери. В обычном реакторе с замедлителем, использующим природный уран, они составляют примерно 40–50 процентов всего количества нейтронов деления. Утечку нейтронов можно уменьшить, увеличив размеры котла или применив эффективный отражатель. Но в этом случае будет иметь место поглощение нейтронов в ядрах отражателя и увеличатся потери нейтронов в замедлителе, уране и примесях.

Работы ученых, доложенные на Международной конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве в августе 1955 года, показали, что возможны три типа ядерных реакторов с полным восстановлением ядерного горючего.

Первый тип реактора основан на использовании быстрых нейтронов для цепного процесса.

Как уже говорилось, поглощение нейтронов ядрами почти всегда растет с уменьшением скорости нейтронов.