Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

В современных атомных реакторах в качестве топлива используются изотопы урана и плутония. Ядра урана или плутония при взаимодействии с нейтронами делятся чаще всего на два осколка и испускают при этом 2–3 нейтрона. Осколки обладают огромной кинетической энергией в десятки тысяч электрон-вольт и, тормозя свое движение в топливном материале, нагревают его. Теплотворная способность ядерного топлива в миллионы раз выше органического топлива: при распаде одного грамма урана может образоваться столько же тепла, сколько при сгорании почти трех тонн угля. Это тепло поглощается теплоносителем, чаще всего жидким натрием, циркулирующим по первому тепловому контуру, а он греет второй контур, водяной, перегретый пар из которого подается на турбины электрогенераторов.

Помимо таких реакторов на медленных нейтронах, строятся реакторы на быстрых нейтронах (БР). У них нет замедлителей, и поэтому размер активной зоны, в которой происходит деление, у них меньше, чем у тепловых, а вокруг активной зоны размещается зона воспроизводства из урана-238. Процесс начинается с деления урана-235 или плутония-239 в активной зоне и испускания в среднем немногим более двух нейтронов (у плутония эта величина выше, чем у урана) на одно ядро. Один из них идет на деление нового ядра урана-235 и поддержания цепной реакции с выделением новых нейтронов, другой захватывается ядрами урана-238. Получившееся ядро изотопа урана-239 испускает электрон, превращаясь в ядро нептуния-239, ядро которого также испускает электрон и превращается в плутоний-239. Таким образом, в процессе работы БР происходит не только генерация тепловой энергии, но и воспроизводство плутония-239. Поэтому БР еще называют бридером (от английского «брид» — размножать).

Великий день настал 2 декабря 1942 г. Реактор окружили счетчиками нейтронов, которые должны были зафиксировать начало и величину их потоков. На верхушку пирамиды забрался Сэмюэл К. Аллисон (1900–1965) с ведром жидкого кадмия, который он должен был лить в реактор, если реакция выйдет из-под контроля, и стержни поглотителя стали осторожно вытягивать: нейтроны сразу же пошли, расчеты оказались верными!

«Было ясно, — писал впоследствии Джон Кокрофт, — что Ферми открыл дверь в атомный век». Так началась ядерная эра!

Уже позже было проверено, сколько тепла выделяется при этой реакции, и т. д. Но, пожалуй, самое главное было в ином: в процессе работы реактора некоторые атомы урана переходят после ряда промежуточных реакций в атомы плутония, элемента за номером 94. Плутоний, как позже выяснилось, не менее урана-235 подходит для создания оружия, но так как химически он все же более отличен от обычного урана, то его много проще выделять уже из отработанного, т. е. лишенного урана-235, ядерного горючего.

Таким образом, ядерные реакторы не только дают тепло, на котором могут работать электростанции, но одновременно производят и новые радиоактивные вещества, в том числе так называемый оружейный плутоний — меньше на обычных реакторах, больше на бридерах. (Именно поэтому, подчеркнем, так опасно строить реакторы в политически нестабильных регионах.)