Александр Проценко - Энергия будущего

В 1955 году в Женеве, впервые после второй мировой войны, собрались ученые разных стран на первую международную конференцию по атомной энергетике.

Советские специалисты сделали вызвавшее общий интерес сообщение об итогах годичной работы АЭС в Обнинске, о технических характеристиках и конструкциях атомного реактора и другого оборудования станции.

Это был первый опыт, позволивший сделать правильный вывод о надежности работы ядерного реактора подобного типа и его безопасности для обслуживающего персонала и населения, проживающего в районе ее расположения.

В настоящее время есть множество действующих реакторов, которые существенно различны. Если же учесть еще те, что задуманы и даже спроектированы, но не построены, то число модификаций составит несколько десятков.

Так, реактор первой АЭС, как мы уже говорили, уран-графитовый канального типа. То есть в качестве вещества, замедляющего нейтроны, в нем применен графит, а топливом является уран. Слова «канального типа» означают, что урановые тепловыделяющие элементы (стерженьки из урана) находятся в трубах, проходящих через графитовые блоки. В этих трубах и протекает вода, которая, отбирая энергию от урановых твэлов, кипит и испаряется.

Такая схема реактора, конечно, не единственно возможная. На упоминавшейся международной конференции по мирному использованию атомной энергии нашими и зарубежными специалистами были представлены проекты и других реакторов. Чем они отличались друг от друга и для чего понадобилось такое разнообразие, мы сейчас и увидим.

Первое, что вносит многообразие, — это замедлитель нейтронов. Кроме графита, можно использовать обычную и тяжелую воду. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки.

Обычная вода, в молекуле которой два атома самого легкого элемента водорода, отлично замедляющего нейтроны, наиболее дешевый и очень эффективный замедлитель. Но есть у нее и недостатки: водород и кислород бесполезно поглощают нейтроны и тем ухудшают цепную реакцию. Чтобы она не затухала, приходится добавлять горючее — уран.

Почти совсем не поглощает нейтроны тяжелая вода — дорогой и дефицитный продукт. В ее молекуле не водород, а два атома дейтерия, о которых речь шла впереди.

Чтобы вода, используемая в качестве замедлителя, не кипела при довольно высокой температуре в 300 градусов, в системе нужно создавать давление в 100 атмосфер. Это, конечно, приводит к существенному усложнению реактора.

В качестве замедлителя пригодны и органические вещества, например газойль — даутерм, в состав которого входят углерод, водород и кислород. Даутерм относительно неплохо замедляет нейтроны, не очень сильно их поглощает и самое главное — не требует создания в реакторе больших давлений. Как будто бы всем он хорош.

Почти не вызывает коррозии, недорого стоит. Но, как и у каждого замедлителя, у него есть свои недостатки.

Во-первых, это соединение очень нестойкое. Нейтроны, обладающие большой энергией, разбивают молекулу даутерма, образуя при этом ненужные газообразные продукты. Во-вторых, под действием высокой температуры и облучения из этих частиц начинают образовываться тяжелые полимеры, которые как нагар осаждаются на поверхности тепловыделяющих элементов и, перекрывая проходное сечение для теплоносителя, затрудняют отвод тепла. Кстати, о теплоносителе.

Для отвода тепла от реактора можно использовать различные вещества, которые также влияют на конструкцию реакторов. Здесь обычная и тяжелая вода в кипящем и некипящем состоянии и те же самые, используемые в качестве замедлителя, органические вещества.

Применяются также и газообразные теплоносители: углекислый газ, азот, гелий. В реакторах-размножителях на быстрых нейтронах удобным теплоносителем оказался натрий. Различным типам теплоносителей, как и многим замедлителям, свойственны определенные преимущества и недостатки.

Мы коснулись только двух составляющих реактора: замедлителя и теплоносителя, определяющих тип реактора. А ведь нужно самым оптимальным образом выбрать еще и тепловыделяющий элемент! В каком виде удобнее использовать в нем ядерное горючее — уран?

В виде металла или его двуокиси? А может быть, лучше применить карбид урана или какой-либо его сплав?

Имеют значение форма и размеры тепловыделяющих элементов (оболочки), в которых заключается ядерное горючее. Надежнее всего были бы твэлы из стали, но она сильно поглощает нейтроны. Пришлось уран заключать в циркониевые либо алюминиевые оболочки, слабо поглощающие нейтроны.