Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Как избежать превращения ядерного реактора в атомную бомбу? Для предотвращения неконтролируемой цепной реакции в реактор вводятся так называемые стержни управления , изготовленные из поглощающего нейтроны материала (например, сделанного на основе кадмия, карбида бора, серебра или индия). Некоторые из этих стержней висят над топливом и в случае неисправности падают, чтобы остановить цепную реакцию. Помимо этих поглощающих стержней, в большинстве ядерных реакторов, используемых в настоящее время (и во всех реакторах во Франции), топливо окружено «замедлителем» (обычно водой), роль которого заключается в торможении нейтронов, высвобожденных при расщеплении. Такое замедление нейтронов повышает их способность производить новые деления, что позволяет использовать уран с низкой степенью обогащения 235U (порядка 4 %). Для создания атомной бомбы такой низкообогащенный уран не подходит. Если в реакторе с замедленными нейтронами начнется неконтролируемая реакция, то последующий взрыв рассеет расщепленный материал и быстро остановит цепную реакцию. Именно это произошло в Чернобыле в 1986 году: после серии совершенных людьми ошибок начавшаяся в реакторе неконтролируемая реакция вызвала его разрушение, к счастью, не высвободив всю запасенную в топливе энергию. Иначе развернулись события при аварии на Фукусиме, спровоцированной цунами в 2011 году (илл. 4): цепная реакция была остановлена устройствами безопасности, тем не менее прекращение охлаждения реакторов вызвало взрыв.

4. Авария на АЭС Фукусима-1, Япония, март 2011 года. Различные повреждения, вызванные цунами, привели к прекращению охлаждения реакторов. В результате интенсивно выделяемое продуктами распада тепло инициировало химическую реакцию, которая привела к выделению охлаждающей жидкостью водорода H 2 . Затем этот водород взорвался, выбросив радиоактивные продукты в атмосферу

Оценка критической массы урана-235, необходимой для начала цепной реакции, была важной задачей физиков во время Второй мировой войны. По всей вероятности, немцы, особенно Вернер Гейзенберг, завысили ее, потому и не стали прилагать много усилий к созданию атомной бомбы: они сочли ее слишком тяжелой для транспортировки самолетом. Тем не менее на другой стороне Ла-Манша Рудольф Пайерлс (также немец по происхождению, поселившийся в Великобритании после прихода Адольфа Гитлера к власти в 1933 году) нашел верный способ рассчитать критическую массу. Он даже опубликовал его, не понимая, какое военное применение может получить это открытие! Зато это хорошо понимал эмигрировавший в Британию австриец Отто Фриш. В 1940 году Фриш и Пайерлс составили меморандум, на этот раз весьма секретный, который был передан британским властям: ученые описали в нем процесс создания атомной бомбы и обрисовали вероятные разрушительные последствия. К этому очень серьезно отнеслись американцы, и с 1942 года в США была запущена грандиозная программа ядерных исследований, «Проект Манхэттен», с привлечением таких известных ученых, как Энрико Ферми и Роберт Оппенгеймер. В конце концов это привело к атомной бомбардировке японских городов Хиросимы и Нагасаки в августе 1945 года.

Итак, перед отправкой в реактор топливо должно быть обогащено ураном-235 за счет урана-238. Выходит, последний – лишь ненужные отходы? Необязательно! На самом деле в обогащенном уране, который помещают в реактор, преобладающий изотоп 238U не остается без дела. Он поглощает нейтроны и частично превращается в плутоний, 239Pu. Однако этот плутоний, как и 235U, способен подвергаться делению и, следовательно, производить энергию. Это свойство используется в размножителях – реакторах, топливом для которых может быть смесь 239Pu (не менее 10 %) и 238U. Эти реакторы используют расщепление плутония, одновременно превращая неделимый уран-238 в плутоний. Таким образом, реакторы-размножители вырабатывают ядерного топлива больше, чем потребляют! Если бы Франция использовала для производства энергии такие реакторы, то имеющегося на ее территории урана-238 хватило бы, чтобы удовлетворять национальный спрос на электроэнергию в течение нескольких тысячелетий!

Размножитель является реактором на быстрых нейтронах, то есть реактором, в котором нет модератора (замедлителя). Использование быстрых нейтронов усложняет конструкцию реактора. В реакторах, находящихся в эксплуатации в большинстве стран, особенно во Франции, тепло, выделяемое в результате ядерных реакций, поглощается водой. В размножителях, к сожалению, воду использовать нельзя, ведь она замедлит нейтроны. Какой же теплоноситель можно использовать в этом случае? Из всех рассмотренных наименее сложным в обращении оказывается жидкий натрий. Но у натрия есть очень неприятное свойство: он самопроизвольно воспламеняется при контакте с воздухом и вступает в бурную реакцию с водой! Даже в отсутствие воздуха и воды предрасположенность натрия к химическим реакциям ограничивает и без того узкий выбор материалов, с которыми он должен соприкасаться: ведь эти материалы должны быть способны выдерживать воздействие чрезвычайно высоких температур.