Наука - Мирный атом

В мельчайших частичках вещества – ядрах атомов – скрыта колоссальная энергия. Судите сами. В ядерном реакторе, который поставляет электричество для круглосуточного свечения 10 миллионов стоваттных лампочек, за год работы исчезает всего 1 килограмм ядерного горючего из нескольких десятков тонн. Казалось бы, вот оно – энергетическое изобилие. В августе 1945 года американский журналист Джон О’Нейл, вдохновленный мощью атомной бомбы, написал в одной из своих статей: «Производство атомной энергии, несомненно, будет чрезвычайно дешевым... В наших автомобилях со временем появятся атомные энергетические установки... и нам не нужно будет заправляться топливом... В сравнительно короткие сроки мы сможем прекратить добычу угля».

Однако время показало, что американский журналист был чересчур оптимистичен. Потребовались десятилетия работы, лучшие научные умы и сложные инженерные решения, чтобы откусить маленький кусочек от этого необъятного природного пирога. Только девять лет спустя первый реактор с символическим названием «Атом мирный» был подключен к мирной энергосети.

Прямой путь к овладению атомной энергией указало одно важное открытие, сделанное в 1939 году немецкими физиками О. Ганом и Ф. Штрассманом. Они обнаружили деление ядер урана под действием нейтронов. Не прошло и месяца после того, как эта потрясающая новость достигла всех ведущих физических лабораторий, а на конференции в Вашингтоне ученые уже полушутя-полусерьезно заговорили о высвобождении ядерной энергии (см. врезку о цепной реакции деления ядер). Но прежде надо было ответить на принципиальный вопрос: сколько в каждом акте деления получается новых нейтронов? Достаточно ли их для цепной реакции? Начались кропотливые эксперименты, и в итоге догадки подтвердились: было обнаружено, что при делении одного ядра урана высвобождается в среднем несколько нейтронов – что-то порядка одного, двух или трех. Итак, предпосылки для цепной реакции были найдены. Дальше выяснилось, что основной компонент природного урана – уран-238 – в большей степени поглощает нейтроны, чем делится ими. А главный делящийся компонент – уран-235 – составляет всего 0,7% в естественной смеси изотопов. И хотя при делении урана-235 образуется достаточно нейтронов, большинство из них пропадает зря, сталкиваясь с многочисленными ядрами основного изотопа. Как справиться с этой проблемой? Первый очевидный способ – обогащение урановой руды и выделении чистого изотопа урана-235. Но по тем временам разделение изотопов урана в промышленных масштабах было чересчур трудоемким, а проще говоря, почти безнадежным делом. Более того, тогда еще никто точно не знал и не мог сосчитать, сколько килограммов или десятков (а может, и сотен) килограммов этого продукта понадобится для запуска цепной реакции.

Второй путь предполагал использование естественной смеси изотопов урана и опирался на результаты опытов, которые свидетельствовали, что более медленно летящие (так называемые тепловые) нейтроны гораздо эффективнее делят ядра урана-235 и гораздо меньше поглощаются ядрами урана-238. Следовательно, замедлив нейтроны, можно уменьшить паразитное поглощение и увеличить вероятность деления. Замедлители тоже были известны: легкие вещества типа воды, углерода или бериллия.

Поскольку нейтроны – основные участники цепной реакции, не удивительно, что эксперименты по сооружению первого атомного «котла» возглавил главный по тем временам специалист по нейтронам и лауреат Нобелевской премии Энрико Ферми, который эмигрировал из фашистской Италии и работал в Колумбийском университете. Здесь в 1941 году и начали строить пробную установку. В качестве замедлителя выбрали простой и доступный в больших количествах материал – углерод в форме графита. Как вспоминал Ферми, физики, покрытые черной пылью графита и окиси урана, перетаскивали многокилограммовые блоки, и, сжалившись над ними, декан позволил нанять для этой работы студентов-футболистов. Дело пошло веселее – они гораздо легче справлялись с упаковками уранового порошка весом по 20–40 кг. Но когда решетчатая конструкция из банок с окисью урана и примерно 30 т графита была наконец готова, результаты измерений обескуражили – нейтронов было недостаточно для цепной реакции. Подвело качество материалов. Там, где каждый нейтрон на счету, любая примесь, поглощающая нейтроны, сводит все усилия на нет.

В 1942 году команда физиков под руководством Ферми переехала в Чикаго, в Металлургическую лабораторию, где были сконцентрированы все основные научные силы по исследованию цепной реакции. Эксперименты продолжились. Промышленность под давлением военных постепенно повышала качество поставляемого графита и обогащенного урана, и в конце концов, судя по экспериментальным данным, оно стало достаточным для осуществления цепной реакции.

Поскольку к октябрю 1942 года участок, купленный для лаборатории в Аргоннском лесу, был еще совершенно не готов, возводить «котел» решили прямо в центре большого города – на кортах для игры в сквош в спортгородке Чикагского университета. Работали круглосуточно, в две смены, укладывая слои графита и урановых блоков, причем самое качественное топливо – как можно ближе к центру. После укладки каждого слоя проводились измерения, Ферми делал расчеты и давал указания по поводу следующего слоя. Меньше чем за месяц собрали конструкцию в форме эллипсоида размером примерно 3х4 метра из 385 тонн графита и 46 тонн урана. В ней были сделаны щели для деревянных стержней, обитых кадмиевой жестью (кадмий сильно поглощает нейтроны и может остановить цепную реакцию). Стержни вынимали только на время измерений, а затем вводили в котел и запирали на висячий замок, ключи от которого были только у начальников смен.

Решающий момент наступил 2 декабря 1942 года. По расчетам было набрано достаточно слоев для начала самоподдерживающейся цепной реакции. На испытании присутствовало около 40 человек. Это были главным образом физики, собиравшие установку. На всякий случай в конструкции предусмотрели аварийные стержни – достаточно было просто перерезать веревку, и они падали в котел, а несколько добровольцев стояли наверху с ведрами раствора кадмиевой соли, готовые при необходимости вылить его внутрь сооружения. Удалили все кадмиевые полосы, кроме одной, а затем начали постепенно выдвигать и ее. После каждого шага измеряли количество нейтронов, и Ферми делал расчет на логарифмической линейке. В 2 часа 20 минут дня, когда вынули 2,5 метра полосы, интенсивность начала расти все быстрее и быстрее, пока не стало ясно, что она может сделаться бесконечно большой. Тогда кадмиевые стержни вернули на место. Первое испытание продолжалось 28 минут, котел удерживали при мощности не более полуватта, чтобы свести к минимуму радиоактивное облучение, ведь никакой защиты предусмотрено не было. После остановки котла распили бутылку кьянти, а успешный исход испытаний скромно отметили у Ферми дома (хотя жена его так и осталась в неведении о причинах торжества). А на спортивных кортах университета, там, где человеку впервые удалось осуществить управляемую цепную реакцию, теперь стоит бронзовый монумент.

Путь от первого атомного котла до атомной электростанции оказался почти вчетверо длиннее, чем дорога к атомной бомбе. Первыми промышленными установками с управляемой цепной реакцией деления стали реакторы для получения плутония-239 (который образуется при поглощении нейтронов ураном-238). После этого пришла очередь малых энергетических установок для подводных лодок, а в 1951 году на опытной американской станции в Айдахо удалось даже получить немного электричества – его хватило, чтобы зажечь целых четыре лампочки.

Проблема заключалась в том, что для функционирования полноценной энергетической установки, сравнимой по мощности с тепловыми станциями, требовались совершенно другие температурные и мощностные режимы. Чтобы превратить четыре лампочки в миллионы, нужно не просто другое количество – другое качество. Необходимо организовать теплообмен при высоких тепловых потоках и высоких давлениях – вопросы эти были слабо изучены. Топливные элементы в активной зоне должны работать в условиях высоких температур без разрушения, а конструкционные материалы – выдерживать огромные радиационные нагрузки. И все же в 1950 году в СССР было принято решение о строительстве экспериментальной реакторной установки – агрегата «АМ» (Атом Мирный). Все было засекречено, и в документах тех лет можно встретить забавные шифрованные обозначения: уран назвали «активным полимером», нейтроны – «нулевыми точками», а уран-графитовый реактор – «оловянно-керамическим кристаллизатором».

Предлагалось несколько вариантов конструкции, но окончательный проект, утвержденный академиками И.В. Курчатовым и Н.А. Доллежалем, был таков: строить уран-графитовый реактор с трубчатыми тепловыделяющими элементами, где в качестве теплоносителя используется некипящая вода под давлением 100 атмосфер. Проектная мощность реактора – 30 МВт, но не из теоретических соображений, а из-за вполне конкретных обстоятельств. В то время, в условиях общего послевоенного дефицита и разрухи, даже на таких приоритетных направлениях часто приходилось довольствоваться имеющимися ресурсами. И вот в поисках турбоагрегата в Москве наткнулись на старую, снятую с эксплуатации турбину небольшой мощности – порядка 6 МВт, которая вполне подходила для опытной атомной станции. Характеристики этой турбины и определили в конечном итоге мощность ядерной установки Первой АЭС.

Весь процесс сооружения атомной станции, начиная с сентября 1951 года, представлял собой череду экспериментов и испытаний. Анализируя потенциальные аварийные ситуации, пришли к выводу, что при определенных параметрах реактора самое опасное – заполнение кладки водой, например, при разрыве канала охлаждения. Тогда увеличивается коэффициент размножения нейтронов, и мощность начинает нарастать. А при отключении подачи воды, наоборот, цепная реакция полностью прекращается. Впоследствии оказалось, что эти расчеты проверены самой природой: через 20 лет в Габоне обнаружили природный ядерный реактор, работавший по такому «водяному» принципу.

Несколько лабораторий занимались разработкой твэлов – тепловыделяющих элементов. Именно они содержат ядерное горючее и располагаются в самой агрессивной зоне реактора. Сначала изготовили твэлы в виде стальных трубок, на которые насаживались втулки из урана. Температурные испытания показали, что эти трубки никуда не годятся – время их работы в рабочих тепловых потоках исчислялось всего несколькими часами. Когда чистый уран заменили сплавом с 9% молибдена, дела пошли лучше: срок службы увеличился до нескольких сот часов. Но самым удачным оказалось решение по диспергированию уранмолибденового сплава в магниевой матрице. Эта конструкция при испытаниях справлялась с тепловыми потоками, больше которых не могла выдержать и сама установка.

В начале мая 1954 года приступили к загрузке активной зоны топливом. Первый полный комплект ядерного горючего содержал 546 кг урана с 5-процентным обогащением ураном-235. Полтора месяца продолжались испытания, и вот 26 июня 1954 года в 17 часов 45 минут пар был подан на турбину и первая в мире атомная электростанция получила промышленную нагрузку при мощности электрогенератора 1,5 МВт. А на следующий день об этом событии сообщил ТАСС. Впрочем, до выхода на проектную нагрузку в 5 МВт строителям и сотрудникам станции еще в течение нескольких месяцев пришлось устранять разные неожиданные проблемы и опасные ситуации, например появление кислорода в кладке реактора. Но постепенно работа наладилась, а свой экспериментальный характер Первая АЭС сохранила на все 48 лет эксплуатации: в центре ее активной зоны был предусмотрен специальный канал для физических экспериментов.

Теперь, спустя полвека с момента своего рождения, ядерная энергетика занимает заметную долю в мировом производстве электроэнергии. Основная масса энергетических реакторов работает на тепловых нейтронах с урановым топливом, как и Первая АЭС. В них есть активная зона, твэлы, замедлитель, теплоноситель. Но на этом сходство и заканчивается. В разных типах реакторов используют разные замедлители, разные способы отвода тепла, разные конструкции тепловыделяющих элементов, разную степень обогащения урана. Например, канадским реакторам CANDU вообще достаточно необогащенного топлива – они могут работать на естественной смеси изотопов урана.

Еще более перспективными считаются реакторы на быстрых нейтронах. Они работают без замедлителя, но требуют несколько иного топлива – произведенного в обычных (тепловых) реакторах плутония. Главное их достоинство с точки зрения энергетики – способность в процессе работы не только производить электроэнергию, но и утилизировать непригодный в качестве ядерного горючего уран-238 для получения новых порций плутония. Фактически появляется возможность организовать так называемый «замкнутый топливный цикл». Впрочем, пока природный уран сравнительно дешев и доступен, эти технологии мало привлекают инвесторов, и за редким исключением реакторы на быстрых нейтронах – это просто реакторы-размножители для производства плутония и потенциальные установки для сжигания ядерных отходов.

Человек использует энергию атомного ядра уже 50 лет. Это до сих пор гораздо сложнее, чем топить печку углем или сжигать бензин в двигателе внутреннего сгорания. Начинка ядерных электростанций сделана из того же материала, что и атомная бомба, и все эти годы нас не покидает интуитивное ощущение тревоги и недоверия. Возможно, еще лет через сто, когда подойдут к концу обычные источники энергии, а возобновляемой замены им так и не найдется, у человечества не будет иного выбора, кроме ядерной энергетики. И будучи реалистом, генеральный директор МАГАТЭ Мохаммед эль-Барадеи, выступая в июне 2004 года на конференции в Москве, осторожно сказал так: «...сейчас, когда атомная энергетика отмечает свое 50-летие, ее будущее – хоть оно, возможно, и становится многообещающим – все же остается неопределенным».

В начале 1970-х годов в урановых копях Габона были найдены следы необычного процесса. По-видимому, два миллиарда лет назад здесь функционировала саморегулирующаяся система размером с небольшой исследовательский реактор мощностью в 100 кВт. Ученые тщательно исследовали остатки урана, плутония и других изотопов и попытались восстановить картину этого удивительного явления природы. Мешик, Хохенберг и Правдивцева в своей статье, опубликованной в одном из октябрьских номеров журнала Physical Review Letters за 2004 год, предположили такой механизм: при заполнении уранового пласта водой начиналась цепная реакция, вода закипала и через 30 минут выбрасывалась в виде пара, в отсутствие воды цепная реакция прекращалась, и примерно 2,5 часа реактор отдыхал, пока в нем вновь не накапливалась вода. И так продолжалось примерно 150 тысяч лет.
Цепная реакция деления ядер

Некоторые ядра тяжелых элементов имеют свойства разваливаться на части при попадании в них нейтрона. Это явление называется вынужденным делением. (Бывает еще спонтанное деление, когда ядро вдруг самопроизвольно распадается на два фрагмента.) После деления сумма масс фрагментов оказывается меньше массы исходного ядра, и эта разница в соответствии с известной формулой E=mc² превращается в энергию движения. Если собрать тепло, выделяющееся при торможении движущихся продуктов деления, можно что-нибудь нагреть, а если процесс деления самовоспроизводится, то он идет до тех пор, пока не кончатся способные к делению ядра (ядерное топливо). Кроме того освобождаются лишние нейтроны, которые тоже летят довольно быстро (потому и называются быстрыми). Если при первоначальном делении образуется достаточно нейтронов, чтобы вызвать не одно, а несколько новых делений, число образующихся нейтронов и количество актов деления начинает нарастать, что и означает цепную реакцию. Часть образовавшихся после деления нейтронов может поглотиться другими ядрами без всякого деления, в этом случае размножения не происходит. К счастью, среди веществ есть хорошие поглотители нейтронов, позволяющие остановить цепную реакцию или контролировать ее. Основной изотоп природного урана 238U практически не делится, а охотно поглощает нейтроны, превращаясь при этом в плутоний – топливо еще более эффективное, чем уран.
Современная ядерная энергетика

По данным МАГАТЭ, ядерная энергетика производит сейчас 16% мировой электроэнергии, а в развитых странах и того больше: во Франции – 78%, в Бельгии – 55%, в Германии – 28%, в Японии – 25%, в США – 20% и в России – 17%. Всего в мире действуют 442 ядерные станции и около 300 исследовательских реакторов, а также порядка 250 судов, подводных лодок, ледоколов и авианосцев с ядерными установками на борту.