Такие мысли тревожили физиков, наблюдавших за поведением реакторов. Но уже через несколько дней после начала работы первого реактора "на мощности"
Э. Ферми удалось отыскать, или, если быть более точным, понять причину этого явления. Непонятное стало очевидным, простым, однако... неприятности, вызываемые отравлением, конечно, не исчезли. Остались они потому, что вызывались все теми же осколками ядер, или шлаками, возникающими при делении.
Шлаки, зола затрудняют процесс горения и в обычной угольной топке. Но там, обеспечивая нормальные условия для горения, их просто удаляют из топки. Другое дело шлаки атомного реактора. Удалить их очень трудно. Ведь они - атомы новых элементов, образовавшиеся при делении, и находятся они среди окружающих их атомов урана. Практически все они так и остаются в реакторе до самого конца его работы, то есть до той поры, пока активная зона не будет заменена новой. Накапливание осколков ведет к потере нейтронов, бесполезно поглощающихся ими.
Влияние некоторых шлаков-осколков на цепную реакцию сказывается сразу же после начала работы, так как они обладают очень большим сечением поглощения. Влияние других, имеющих маленькое сечение поглощения нейтронов, выявляется постепенно, по мере их накопления. Но все равно рано или поздно шлаков накопится столько, что цепная реакция прекратится, несмотря на то, что к этому времени в реакторе останется еще очень много урана-235. Ведь до самого последнего момента реактор был критическим и в нем шла цепная реакция. Теперь, после остановки, все топливо, включая и невыгоревший уран-235, нужно удалять из реактора и загружать его свежим. Выгоревший уран направляется в специальные хранилища.
Если проследить всю цепочку обращения с этим металлом, начиная с его добычи и кончая извлечением из реактора и его захоронением, то окажется, что полезно используется, то есть преобразуется в энергию, очень небольшая доля. Из всего добываемого урана в энергию деления переводится лишь один процент. Как видите, эффективная калорийность урана с учетом невыгоревшего топлива оказывается в сто раз меньше теоретически рассчитанной. Значит, на самом деле каждый грамм урана может дать не 20 миллионов килокалорий, а всего 200 тысяч. Но по сравнению с 7 килокалориями, которые можно получить при сжигании грамма угля, это, конечно, все еще очень много.
Низкая эффективность использования уранового топлива беспокоит нас и с другой точки зрения. Ведь запасы дешевого урана, как и других органических видов топлива, не безграничны. Поэтому повышение эффективности его использования - это важнейшая задача атомной энергетики сегодняшнего дня. Путей улучшения использования урана достаточно много: тут и уменьшение в реакторах вредного поглощения нейтронов за счет применения подходящих материалов, и снижение потерь при добыче урана, и экономия при изготовлении топлива, и многие другие.
Но основные причины ниакой эффективности еще и в потере топлива, выгружаемого после работы реактора. Совершенно очевидно, что его необходимо вторично использовать в реакторе, а для этого надо переработать, очистив от шлаков.
Принципиальных трудностей, тупиковых проблем в переработке топлива нет. А вот технических трудностей очень много. Достаточно сказать, что уран нужно очистить от химических элементов чуть ли не всей таблицы Менделеева, а также от многочисленных химических соединений. Ныне, правда, уже есть лабораторные, а в ряде случаев налажены и промышленные способы очистки ядерного горючего. Все же есть нужда в особых предприятиях, где все операции и манипуляции с топливом, по ремонту и замене оборудования могли бы осуществляться дистанционно. Ведь большая часть осколков, образующихся при делении, а также многие новые элементы, которые возникают при поглощении нейтронов, радиоактивны. Работать с ними так, как мы работаем с другими веществами, нельзя. Нужны специальные меры защиты. Надо сказать, что эти меры защиты, необходимые защитные материалы и конструкции известны. Однако объединение всего этого, в общем, принципиально известного атомного хозяйства - химических процессов, аппаратов переработки, автоматики, оборудования, защитных материалов и способов защиты - в одно целое, то есть создание такого надежно и эффективно работающего завода по переработке топлива, - это сложная научно-техническая проблема. Но нет сомнения, что она будет решена, ибо уже работают опытно-промышленные установки и даже заводы промышленного масштаба.
Итак, переработка топлива - один из путей повышения эффективности использования урана - обязательна в любом случае. Однако важно также добиться использования урана-238 - изотопа, который не делится тепловыми нейтронами. Кстати, он не очень хорошо делится и быстрыми нейтронами. Когда в 1939 году Г. Флеров и К. Петржак открыли самопроизвольное деление урана, основной задачей исследований, поставленной И. Курчатовым, было как раз определение пороговой энергии деления урана-238. Уже тогда было показано, что она высока и что необходимая энергия нейтронов, способных разделить ядра урана-238, тоже должна быть высока. Кстати, энергия нейтронов, вылетающих при делении, близка к этой пороговой энергии.
Было также показано, что тем не менее осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию только на уране-238 невозможно. Каким же образом можно поставить уран-238 на службу атомной энергетике, если он не очень эффективно делится нейтронами?
Оказывается, методы получения энергии из урана238 существуют, и связаны они с созданием в реакторе таких условий, при которых нейтроны поглощаются ядром урана-238 и образуется новый элемент - нептуний-239, а затем плутоний-239. Уже в реакторах на тепловых нейтронах в качестве горючего используется не только уран-235. Это видно и из следующего: содержание в природном уране делящегося изотопа урана-235 всего, как уже говорилось, 0,7 процента, а в реакторе при его работе удавалось сжечь один процент природного урана, то есть больше, чем содержится урана-235. Это увеличение эффективности использования топлива происходит благодаря расходу также и урана-238.
К тому, каким образом это происходит, мы обязательно еще вернемся, поскольку это одна из важнейших проблем атомной энергетики будущего.
А сейчас стоит вернуться несколько назад и коснуться проблем атомной энергетики прошлого.
Ошибка ученых фашистской Германии
Цепная реакция в реакторе может иметь разный характер. Она может быть растущей - мощность при этом увеличивается. Возможна реакция и затухающая.
При этом мощность будет падать. Об этом мы уже говорили. Нам сейчас надо выяснить, как направлять развитие цепной реакции или как управлять атомным реактором? Конечно, делать это нужно совсем не так, как управляют автомобилем, тепловозом или пламенем газовой горелки. И дело тут вовсе не в большей сложности, не в большем количестве приборов и систем управления - другим оказывается сам принцип управления реактором.
Как шофер меняет скорость движения автомобиля?
Он увеличивает или уменьшает мощность двигателя с помощью педали газа. Чтобы автомобиль ехал быстрее, шофер, нажимает на нее, увеличивая мощность двигателя. Но увеличение не будет беспредельным: в конце концов она достигнет определенной величины, станет какой-то вполне определенной и соответствующая ей скорость. Все зависит от того, насколько шофер переместил педаль газа. Если теперь он вернет ее в прежнее положение, то к прежней величине вернутся и мощность двигателя, и скорость автомобиля.
Математическое уравнение, описывающее критическое состояние реактора, однородно. Читателю, незнакомому с математикой, эти слова не говорят ничего.
Математик скажет, что величина, описываемая однородным уравнением, может быть определена только с точностью до постоянного коэффициента, если не задано какого-либо дополнительного условия. Но, не зная специфики работы атомного реактора, он никаких практических выводов из этого уравнения не сделает. Физикреакторщик же поймет, что в принципе мощность критического реактора, описываемого таким уравнением, может достичь любой величины.
Пусть перед нами критический реактор, в котором идет самоподдерживающаяся цепная реакция деления.
Число нейтронов в каждом последующем поколении одинаково. Это значит, что в каждый момент времени число делений урана, а значит, и мощность реактора остаются постоянными.
Теперь прибавим к этому реактору в каком-либо месте некоторое дополнительное количество урана. Положение изменится. Если, например, вначале в единицу времени делилось 100 ядер урана, то теперь дополнительный урановый блок уловит и часть тех нейтронов, которые раньше бесполезно улетали из реактора.
Число делений в каждом последующем поколении будет расти: в первом 100, во втором, скажем, 101, в третьем 102 и т. д. Одновременно будет расти и мощность реактора. И пусть в тот момент, когда она увеличилась вдвое, мы убрали от реактора тот дополнительный блок урана. Рост мощности прекратится. Те лишние нейтроны, которые вызывали ее возрастание, теперь не будут производить делений и станут вылетать из реактора. Но его мощность, и в этом принципиальное отличие поведения реактора от поведения автомобиля, осталась той же, то есть вдвое больше первоначальной!
