Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Искусственное ядерное горючее может быть получено также из радиоактивного элемента — тория (рис. 19). У тория имеется всего один изотоп с достаточно большим периодом полураспада (14 миллиардов лет) — торий 232. При облучении его нейтронами образуется неустойчивый изотоп тория, который после ряда радиоактивных превращений переходит в изотоп урана — уран 233. Уран 233, так же как уран 235и плутоний 239, является хорошим расщепляющимся материалом. Его период полураспада равен примерно 163 тысячам лет.

Новые возможности.Итак, теперь мы имеем три сорта ядерного горючего: уран 235, уран 233и плутоний 239. Энергия, выделяющаяся при делении ядер этих веществ, практически одна и та же, поскольку любое из этих ядер делится на два ядра меньшей массы, а разность энергии связи «осколков» и исходного ядра для всех сортов ядерного горючего почти одинакова.

Из всех расщепляющихся веществ только уран 235в небольшом количестве имеется в природе. Урана 233и плутония 239в природе нет, и чтобы их получить, нужно облучать мощным потоком нейтронов соответственно торий 232и уран 238.

Но как получить такое большое количество нейтронов?

Физики уже довольно давно научились изготовлять так называемые искусственные источники нейтронов. Для этой цели обычно используется реакция:

В качестве источника ядер гелия 4может 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 9нейтронов в секунду. Но в одном грамме плутония содержится около 3∙10 21ядер. 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 239или 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 17ядер 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 238с последующим образованием плутония 239.

Таким образом, даже очень маленький реактор мощностью в один киловатт за один час производит 0,5∙10 17ядер плутония 239. В одном грамме плутония содержится около 3∙10 21ядер. 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 235дают одно ядро плутония 239, то есть при расщеплении одного килограмма легкого изотопа урана получается 500 граммов искусственного горючего.