К вопросу о перспективах развития атомной энергетики. Часть третья. Реакторы на быстрых нейтронах.

К вопросу о перспективах развития атомной энергетики

Часть третья. Реакторы на быстрых нейтронах.

Для тех из моих читателей, кто имел долготерпение и упорство и осилил две предыдущие части статьи, настало время задать по-мужски прямой вопрос: доколе? Доколе мы будем возиться с медленными нейтронами, ублажать их то сверхчистым графитом, то чистейшей, а то и тяжелой водой? Мы что, не можем взять и обуздать быстрые нейтроны?

Для того, чтобы на этот вопрос дать по-мужски четкий ответ, надо перво-наперво рассмотреть устройство атомной бомбы, сброшенной на несчастную Хиросиму (см. рисунок 1). Как это ни парадоксально, устройство её до безобразия простое (что заставляет весь мир с содроганием смотреть на прогресс определённых стран в области обогащения урана).

Берётся отрезок орудийного ствола, с дульной стороны (откуда должен вылетать снаряд) ствол затыкается и окружается материалом, отражающим нейтроны (например, карбидом вольфрама). В центре этой затычки, называемой ударной камерой, монтируется цилиндрический стержень докритической массы урана-235 массой примерно 30 килограмм (известно, что критическая масса урана-235 равна 47,8 кГ для шара), обогащенного до величины не менее 90%. Со стороны казённой части производится выстрел вольфрамовым снарядом, на конце которого находятся толстенные шайбы из того же урана. Их внешний диаметр равен калибру ствола, а внутренний соответствует диаметру уранового стержня. Вся фишка заключается в том, чтобы скорость сближения двух частей урана была не меньше, чем 1000 м/сек. Если скорость будет меньше, то части урана расплавятся и испарятся раньше, чем обнимут друг друга в жарких объятьях. Кстати, не вздумайте повторять этот опыт с плутонием, критическая масса для шара из которого составляет 9,65 кГ. Даже если скорость сближения будет в пять раз большей (что абсолютно нереально для орудийного ствола), взрыва не будет, а будет большой и грязный «ПУК».

А что, если нам сближать два куска U235 меееедлено - мееедленно? Возрастёт поток нейтронов, урановые части начнут разогреваться. А подвести их поближе? Нейтронный поток ещё увеличится, температура вырастет. А ещё ближе? Урановые части (чуть было не сказал «стержни») раскалятся и могут расплавиться. Читатель, мы находимся в одном шаге от изобретения реактора на быстрых нейтронах! Нам осталось организовать отвод тепла от активной зоны. Ясное дело, что вода для этих целей не годится. Почему? Вспоминаем уравнение Клайперона – Менделеева:

P*V=m*R*T/M (1),

где P и V – давление и объем соответственно, T – температура, m – масса газа, M – молярная масса. Поскольку количество вещества m/M постоянно, а R является универсальной газовой постоянной, то уравнение (1) можно переписать так:

P*V/T=CONST (2).

Уравнение (2) называют объединённым газовым законом и оно справедливо для идеальных газов, но в данном случае важна суть процесса, а она заключается в том, что он (процесс) происходит при постоянном объёме (закон Шарля, если кто забыл), что приводит к линейной зависимости давления от температуры. В действительности все процессы, происходящие в реакторе намного сложнее, но суть мы поняли: при температурах порядка 500º C давление воды должно быть не менее 300 атмосфер, иначе она превратится в пар. А конструкция, выдерживающая такие давления, выходит за рамки экономической целесообразности. Да, чуть было не забыли – вода является замедлителем нейтронов, а мы с Вами договорились тепловые нейтроны не использовать. Что же делать? Чем заменить воду? А давайте заменим её…металлом!

Действительно, свинец, натрий и некоторые другие металлы и их сплавы при такой температуре становятся жидкими. А ртуть и так жидкая, не зря её называют жидким серебром. Да и теплоёмкость у металлов повыше будет, чем у воды. Вот мы и получили реактор на быстрых нейтронах, который по сути своей является урановой бомбой, но взрывающейся медленно и плавно, в течение многих месяцев и не производящей никаких разрушений, зато дающей нам энергию. Более того, такая конструкция производит ядерного топлива больше, чем потребляет! Это как если бы мы топили свой камин сухими еловыми поленьями (уран-235), вокруг были сложены сырые осиновые поленья (уран-238), а после вынимали бы из него в полтора раза больше сухих берёзовых поленьев (плутоний-239). Такой вот мобиле Perpetuum, называемый реактором - размножителем или бридером. Но прежде, чем мы рассмотрим конструкцию такого реактора ++, давайте разберём суть физических процессов, протекающих в нём.

Ядро урана U235 испускает нейтрон, захватываемый ядром урана U238, которое превращается в суррогат ядра урана U239. Получившееся ядро для того, чтобы стать кошерным, через 10^-17 секунды излучает гамма-квант и превращается в ядро U239. Получившееся ядро долго не живет, с периодом полураспада 23,45 мин испускает электрон + электронное антинейтрино и превращается в ядро нептуния Np239. В свою очередь нептуний с периодом полураспада 2,356 дня испускает электрон + электронное антинейтрино и превращается в ядро плутония Pu239:

²³⁸₉₂U + ¹₀n → ²³⁹₉₂U* - γ→ ²³⁹₉₂U–(β^–) - v̅e → ²³⁹₉₃Np –(β^–) - v̅e → ²³⁹₉₄Pu (3)

А вот плутоний под воздействием нейтронов охотно распадается на осколки с испусканием нейтронов.

С торием-232 происходят такие превращения: после захвата ядром нейтрона оно превращается в ядро тория-233 с излучением гамма-кванта, затем ядро испускает электрон и электронное антинейтрино и превращается в ядро протактиния-233, которое в свою очередь после излучения электрона и антинейтрино превращается в ядро урана-233 (4):

²³²₉₀Th + ¹₀n → ²³³₉₀Th*- γ → ²³³₉₀Th –(β^–) - v̅e → ²³³₉₁Pa –(β^–) - v̅e → ²³³₉₂U (4)

А уран-233 является прекрасным ядерным горючим.

Очевидно, что для запуска «быстрого» реактора нужен некий «прикуриватель» из U235 или Pu239, а дальше в цепную реакцию будут вовлечены «бесполезные» U238 или торий Th232.

Настало время рассмотреть конструктивное устройство «быстрого» реактора. Для общности рассмотрим реактор БН-600 (Быстрый Натриевый). 10 декабря 2015 года состоялся физический пуск реактора, а промышленная эксплуатация производится с 1 ноября 2016 года. Электрическая мощность БН-800 составляет 880 мегаватт. Строительство реактора БН-800 показано на рисунке 2, внешний вид реакторного зала – на рисунке 3.

Вспомним устройство ВВЭР-1000. В корпусе реактора находится активная зона, через которую прокачивается снизу вверх вода первого контура. В верхней части расположены четыре пары патрубков, дающих начало четырем петлям циркуляции, в каждой из которых присутствует главный циркуляционный насос и теплообменник в виде парогенератора. А теперь возьмём и спрячем всё это оборудование в один общий корпус. Правда, петель циркуляции будет только три и парогенераторы мы оставим на улице.

Примерно так и выглядит «быстрый» реактор. Его активная зона состоит из трёх слоёв с различным обогащением по урану-235: 17%, 21% и 26%. Это расслоение сделано для более равномерного энерговыделения. Вокруг активной зоны расположен экран, отражающий нейтроны и состоящий из сборок из обеднённого урана. В торцах ТВС также находится обеднённый уран. Обеднённый уран в торцах ТВС и вокруг активной зоны служит для воспроизводства топлива, т.к. на 100 разделившихся ядер U235 образуются от 120 до 140 ядер Pu239. Но при этом в земной коре урана-238 хватит на 2500 тысячи лет, в то время как уран-235 закончится лет через сто, если не раньше.

Внимательный читатель уже заметил, что мы вовлекли в топливный цикл изотопы урана и тория с чётно-чётным числом нуклонов, т.е. стабильные изотопы этих металлов (период полураспада тория-232 составляет 13,9 ×10⁹ лет, а урана-238 4,47×10⁹ лет), которые нас не интересовали в реакторах на тепловых нейтронах.

Как мы с Вами и договорились, теплоносителем служит жидкий натрий, который прогоняется циркуляционными насосами через активную зону снизу вверх и разогревается с 370 до 550 градусов Цельсия. В каждой из трёх циркуляционных петель расположен теплообменник, в котором натрий первого контура отдает тепло натрию второго контура. Далее натрий второго контура проходит через парогенератор, пар из которого подается на турбины высокого, среднего и низкого давления. Само собой на оси этих турбин расположены генераторы, вырабатывающие милый нашему сердцу трёхфазный переменный ток.

Итак, имеем: один реактор на быстрых нейтронах, три петли циркуляции первого контура (радиоактивного) с тремя ГЦН и теплообменниками, три петли циркуляции второго контура, три парогенератора, три каскада турбин и три электрических генератора. И практически половина этого высокоинтеллектуального железа находится в одном флаконе (см. рисунок 4). Схемотехническое изображение реактора на быстрых нейтронах БН-600 взято с сайта http://www.nkj.ru/archive/articles/919/).

Итак, поскольку теперь мы знаем, как это устроено и как оно работает, давайте рассмотрим преимущества и недостатки реакторов на быстрых нейтронах.

К преимуществам «быстрых» реакторов необходимо отнести:

- вовлечение в топливный цикл урана-238 и тория-232, запасов которых хватит на несколько тысяч лет;

- возможность использования плутония-239, высвобождаемого при разборке устаревших ядерных боеприпасов;

- «выжигание» высокоактивных ядерных отходов, в результате чего количество отходов уменьшается в двадцать раз.

К недостаткам надо отнести необходимость применения целого комплекса мер, связанных с нераспространением ядерного оружия, поскольку в топливном цикле этих реакторов присутствует плутоний-239.

Выводы: ядерные энергетические установки на быстрых нейтронах будут востребованы в течение ближайших нескольких сотен лет.

Послесловие. Поскольку в начале нашего опуса была упомянута атомная бомба, автор считает необходимым хотя бы вкратце осветить один вопрос: был ли Советским Союзом украден у США секрет изготовления атомной бомбы?

Во-первых, надо заметить, что речь идет не об урановой бомбе пушечного типа, а о плутониевой бомбе, срабатывающей благодаря процессу сферической имплозии, т.е. благодаря быстрому обжатию докритической плутониевой сферы. Конструктивные решения действительно были переданы по каналам внешней разведки, см. например чертеж на рис. 5. Однако, не имея инфраструктуры для разведки урановых руд, не обладая технологией их добычи и обогащения, не имея промышленности, производящей сверхчистые материалы, например, графит и легированные стали, выдерживающие мощные нейтронные потоки и высокие температуры, не имея теоретической и экспериментальной научной базы, позволяющей разработать конструкцию реактора и технологию получения металлического плутония, такую задачу решить было невозможно. А то, что такие задачи ставились и решались - известно (см. рис. 6, 7, 8 и 9). Неизмеримый вклад в дело решения задачи по созданию атомного оружия и атомной промышленности в СССР внес блестящий ученый и замечательный организатор Игорь Васильевич Курчатов (рис. 10).

Роль Лаврентия Павловича Берии в становлении атомной отрасли страны хорошо описана в книге Кудряшова "Берия и советские ученые в атомном проекте" [8]. Всех, интересующихся этим вопросом читателей, автор направляет к этой монографии.

Ниже приведена история создания и развития комбината "Маяк" (База-10, Челябинск-40, Озёрск) в датах (http://www.po-mayak.ru/wps/wcm/connect/mayak/site/About/dates1/:

1 декабря 1945 года – постановлением СНК СССР №3007-697 СС определена площадка под строительство первого реакторного завода, которому присваивается номер 817 (База-10).
24 апреля 1946 года – принят генеральный план строительства комбината № 817.
Октябрь 1946 года – начинают прибывать первые работники комбината.
19 июня 1948 года – выведен на проектную мощность первый в СССР уран-графитовый промышленный реактор «А» («Аннушка»). Остановлен 16 июня 1987 года.
22 декабря 1948 года – введен в эксплуатацию радиохимический завод по выделению оружейного плутония.
26 февраля 1949 года – введено в эксплуатацию химико-металлургическое производство.
Июнь 1949 года – получено необходимое количество плутония для изготовления первой атомной бомбы, которая была испытана 29 августа 1949 года.
Июнь 1950 года – март 1966 года – введены в эксплуатацию семь реакторов для наработки оружейного плутония, последний из них был остановлен 1 ноября 1990 года.

Таким образом, мы видим, что наша страна, прошедшая страшную войну, в немыслимо короткие сроки сумела создать новую отрасль - атомную промышленность.

Во-вторых автор уверен, что человечество до сих пор не оценило по достоинству вклад Эмиля Юлиуса Клауса Фукса (рис. 11) в то, что наша так называемая цивилизация не спалила себя и все живое на Земле в ядерном огне. К тому моменту, когда Советский Союз создал первое ядерное устройство, у США их было более сотни, и Соединенные Штаты уже планировали нападение на СССР (см. Операция Totality, План «Dropshot»). Нельзя забывать также тот факт, что так называемые союзники планировали совершить нападение на Советский Союз уже 1 июля 1945 года! (http://ru.wikipedia.org/wiki/Операция_Немыслимое). И в этом плане вклад Фукса в восстановление паритета между СССР и США трудно переоценить, так как он позволил нашей стране значительно быстрее пройти путь от принятия решения до создания конечного изделия. По большому счету он достоин был не ареста, а уважения за свою смелость и гражданскую позицию и благодарности от всех здравомыслящих людей. Автор абсолютно убежден в том, что если бы наша страна не создала конечное изделие в 1949 году, в середине пятидесятых годов СССР перестал бы существовать.

При этом возникает закономерный вопрос: почему же Соединённые Штаты на реализовали ни один из своих планов в начале-середине пятидесятых годов? Ведь у них было подавляющее преимущество в зарядах и средствах доставки! Этому способствовал целый ряд факторов:

1. Общественное мнение в США было дружественно настроено по отношению к СССР. Американцы знали, что из всех стран коалиции наша страна понесла самые большие людские и материальные потери, и что вклад нашей страны в общую Победу был решающим. Поменять вектор этого мнения было непросто, по крайней мере сделать это быстро было невозможно;

2. Американцы понимали, что даже в случае разрушения всех основных административных и промышленных центров СССР, потенциал Красной Армии практически не пострадает, и она пройдёт железным валом по всей Европе, включая Британские острова, и зачистит её под ноль. А поскольку экономика США заточена под торговлю, то тут-то она и рухнет,т.к. торговать будет не с кем;

3. В начале пятидесятых годов большая часть из девяти боевых реакторов Хэндфордского комплекса (Hanford Site) см. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hanford_N_Reactor_adjusted.jpg?uselang=ru были остановлены на полную реконструкцию. Дело в том, что в процессе эксплуатации графитовая кладка реактора подвергается мощному воздействию нейтронного излучения, а захват нейтронов приводит к увеличению объёма графита. Это, в свою очередь, привело к тому, что бетонные корпуса реакторов, ограждающие персонал от воздействия нейтронов, растрескались и стали осыпаться.

Наши реакторы в Челябинске-40 по счастливой случайности избежали этого дефекта и продолжали работать. А тут ещё и советские средства доставки подтянулись (см. статью "За пять минут до конца света": (http://www.trud.ru/article/09-02-2000/1613_za_pjat_minut_do_kontsa_sveta.html).

Все эти факторы и привели к тому, что Соединённые Штаты не решились реализовать ни один из своих планов нападения на СССР в начале пятидесятых годов. Ну а потом уже было поздно, поскольку минсредмаш и минобщемаш наладили выпуск "горшков" и "бочек" (так на сленге называется боевой блок и блок управления подрывом) и средств доставки в промышленном масштабе.

Литература:

1) Официальный сайт концерна «Росэнергоатом»: http://www.belnpp.rosenergoatom.ru/wps/wcm/connect/rosenergoatom/belnpp/
2) Ядерное топливо для реактора БН-600. Сайт ОАО «Машиностроительный завод» ЭЛЕМАШ: http://www.elemash.ru/ru/manufacture/product/nuclear/nuclear2/
3) Атомная бомба «Малыш». Статья в Википедии: http://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%E0%EB%FB%F8_%28%E1%EE%EC%E1%E0%29
4) Атомный проект СССР. К 60-летию создания ядерного щита России: http://www.rusarchives.ru/evants/exhibitions/atom-exp/16.shtml
5) Операция "Немыслимое". Статья в Википедии:http://ru.wikipedia.org/wiki/Операция_Немыслимое
6) За пять минут до конца света. Статья в газете "Труд": http://www.trud.ru/article/09-02-2000/1613_za_pjat_minut_do_kontsa_sveta.html
7) Операция "Totality". Статья в Википедии: https://ru.wikipedia.org/wiki/Totality
8) Кудряшов Н.А. Берия и советские ученые в атомном проекте. Москва, 2013 г. ISBN: 978-5-7262-1825-0
9) Полухин, Г. А. Атомный первенец России : ПО «Маяк» : ист. очерки. Ч. 1-2 / Г. А. Полухин. – [г. Озерск Челяб. обл.] : Изд-во ПО «Маяк», 1998 – 156.
10) Схемотехническое изображение реактора на быстрых нейтронах (Рис. 2) взято с сайта http://www.nkj.ru/archive/articles/919/