Мир на пике – Мир в пике

«…спектр захвата нейтронов у четно-четных ядер (например, ²³⁸U) существенно резонансный, характеризующийся массой узких и высоких пиков в окрестностях 1,6 МЭв, а вот спектр захвата нейтронов у ядра ²³⁹Pu и спектр деления ²³⁵U — наоборот, пологий, с существенным максимумом значений в тепловой области, что соответствует сечению деления ²³⁵U тепловыми нейтронами в 580 барн, а вот сечение захвата тех же тепловых нейтронов для ²³⁸U составит всего 2,3 миллибарна…»

будет смотреться в книге для широкой аудитории приблизительно так же, как фраза из Конфуция на китайском языке в меню хорошего китайского ресторана в Москве.

Вроде бы и к месту. Вроде бы и по делу. Но только никто не прочитает. А кто и попробует прочитать — все равно мало что поймет из этой «китайской грамоты».

Поэтому — постараемся быть попроще в объяснениях, хотя, конечно, кое-где весьма существенные детали нашего повествования останутся за кадром. Однако, при этом, большая часть умолчаний или неких упрощений, как я надеюсь, не очень повлияет на дальнейший рассказ о ЗЯТЦ.

Что это вообще такое — замкнутый ядерный цикл? Зачем он нужен? Что мы замыкаем в рамках этого цикла и что это за ядерная алхимия, которая помогает нам буквально «делать топливо из ничего»?

ЗЯТЦ, по своей сути, в его урановом варианте, это постоянный, многостадийный и многотрудный процесс превращения урана в плутоний.

И сжигание полученного плутония совместно с ураном, которое снова-таки дает нам дополнительные количества плутония, полученные, опять-таки, из урана.

В рамках механики изотопов я уже разбирал эту магию в главе 12.

В рамках же использования и переработки топлива этот «изотопный хоровод» выглядит и того интереснее.

Во-первых, сегодняшние конструкции реакторов подразумевают периодические погрузки и выгрузки ядерного топлива. В силу того, что плутоний у нас в «дикой природе» не водится, в реактор загружается либо природный, либо обогащенный уран.

На природном уране сегодня в мире работает только один тип промышленных реакторов — канадские реакторы CANDU и их клоны еще в нескольких странах (например, Индии):

Рис. 168. Реактор CANDU на канадской АЭС «Брюс».

Это, по сути дела, единственный на сегодняшний день тяжеловодный реактор — только реакторы CANDU могут работать на природном уране, не нуждаясь в каких-либо сложных процессах по разделению изотопов урана.

Кроме того, реакторы CANDU, в принципе, могут даже «подъедать» при небольшой доработке и доводке даже отработанное ядерное топливо (ОЯТ) за водо-водяными реакторами типа ВВЭР или PWR.

«Э? А как это — жечь заново то, что уже сгорело?» — спросит читатель. И будет безусловно прав — для случая нефти, газа или каменного угля. Эти химические топлива и в самом деле полностью сгорают в процессе получения энергии. А вот в случае ядерного топлива, как говорил товарищ Сталин: «нэ так все было, савсэм нэ так».

Все дело в том, что ни в одном из реакторов топливо не сгорает полностью. В какой-то момент времени содержание делящегося изотопа в активной зоне просто падает ниже неких критических уровней и самоподдерживающаяся цепная реакция просто становится невозможной — даже на полностью выдвинутых из активной зоны поглощающих стержнях, нейтроны от деления какого-нибудь ядра ²³⁵U просто не могут найти следующие ядра для продолжения цепной реакции.

Все дело в том, что, как я уже писал в главе о механике изотопов, часть нейтронов из цепной реакции деления урана неизбежно поглощается конструкциями реактора, часть задерживается замедлителем и теплоносителем, и еще немалая часть нейтронов потихоньку превращает содержащийся в ТВЭЛах ²³⁸U в тот самый ²³⁹Pu.

Какой же величиной характеризуется процент сгорания топлива? Как вы понимаете, взвешивать «сгоревший» ТВЭЛ практически бесполезно — в отличии от вагона качественного угля, который почти полностью переходит в форму углекислого газа (СО₂), оставляя нам только горстку несгораемой золы, ТВЭЛ практически не теряет своей исходной массы.

Вся его исходная масса, за исключением потерь нейтронов и небольшого выделения инертных газов, образующихся, как продукты реакции, остается внутри ТВЭЛа.

Поэтому для измерения процента сгорания исходного топлива атомщики придумали хитрый параметр: мегаватт в сутки на тонну топлива или, сокращенно — МВтсутки/тонна.

Что остается после сгорания ядерного топлива, что скрывается за скромной аббревиатурой ОЯТ?