Искусственная радиоактивность

О том, что крошечные атомные ядра могут выделять мощнейшую энергию, мир узнал в 1945 г., когда были сброшены первые атомные бомбы. Один американский журналист даже пророчил появление автомобилей, работающих на атомных двигателях, и полный отказ от добычи угля: мол, производить энергию из атомов намного дешевле. Впрочем, такие прогнозы оказались слишком преждевременными. На создание ядерного реактора ушло несколько десятков лет, полных проб и ошибок.

Собственно, начало ядерной энергетике было положено в 1939 г., когда немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман открыли деление урановых ядер при столкновении с нейтронами. Уже через месяц участники вашингтонской конференции то ли в шутку, то ли всерьез завели разговор о производстве ядерной энергии, но для этого нужно было выяснить, сколько нейтронов рождается в результате деления урана и хватит ли их для запуска цепной реакции. Последующие испытания показали: одно урановое ядро дает от одного до трех нейтронов, однако лишь малая часть природного урана (около 0,7 %) способна делиться этими частицами — остальная же просто поглощает «бомбардировщиков». Количество нейтронов, производимых малочисленным ураном-235, было очень даже приличным, но все они «попадали в зубы» преобладающему урану-238.

Поначалу исследователи подумывали выделять из руды чистый уран-235, но в те времена это было слишком сложно, если не сказать — невозможно. Да и как определить количество материала, необходимого для последующей реакции? Потребуется ли выделить несколько килограммов урана — или это будут десятки, а то и сотни килограммов?

Тогда решено было подойти с другой стороны и замедлить нейтроны — ведь эксперименты свидетельствовали: чем меньше скорость частиц, тем неохотнее уран-238 их «проглатывает», зато деление урана-235 происходит еще активнее. В качестве замедлителей нейтронов могли выступать бериллий, углерод и даже простая вода.

За постройку первой атомной установки взялся известный специалист по нейтронам — итальянец Энрико Ферми, работавший в Университете Колумбии. Его коллеги вынуждены были самостоятельно таскать упаковки порошкообразной окиси урана — каждая весом по 20—40 кг — и укладывать их в сложную конструкцию вместе с графитом, которому надлежало сыграть роль замедлителя. Мало того что ученые изнемогали под тяжестью массивных блоков, так им еще и приходилось дышать черной графитово-урановой пылью, которая оседала на всех поверхностях. Дабы не мучить коллег, глава университета попросил о помощи студентов-футболистов, и те очень быстро собрали установку, но… первые же опыты показали, что материалы некачественные: выделенных нейтронов для цепной реакции не хватало.

Читать:  Инфракрасное излучение

Исследования продолжились в чикагской Металлургической лаборатории, где условия были более подходящими, чем в Колумбии. С подачи военных в лабораторию стали поставлять хорошо очищенный графит и обогащенный уран, в которых уже могла произойти цепная реакция, и в середине осени 1942 г. ученые решили строить новую установку. Правда, отведенный для этого лесной участок подготовить не успели, и эксперименты перенесли в центр города, на теннисные корты. Месяц круглосуточной работы — и на корте выросла эллипсоидная конструкция из слоев графита и урановых блоков. В целом на установку размером с комнату ушло 385 т графита и 46 т урана. Сдерживать цепную реакцию призваны были покрытые кадмием деревянные стержни, для которых предусматривались специальные сквозные отверстия.

Дебютное испытание установки состоялось в начале декабря 1942 г. и длилось чуть менее получаса (все это время наверху дежурили специально нанятые люди, готовые в любую минуту вылить внутрь литры раствора кадмиевой соли). Ученые вытащили все стержни, кроме одного, а тот, последний, изымали медленно, попутно измеряя число образующихся нейтронов. Когда в установке оставалось каких-то полметра стержня, скорость реакции резко возросла, стремясь к бесконечности. Поскольку ни о какой защите от радиации речи тогда не шло, исследователи спешно вернули все страховочные прутья на место. А затем отправились праздновать успешное проведение первой в истории управляемой цепной атомной реакции.

Читать:  Электромагнетизм и электромагнитная индукция: открытие явлений

Позже ученые заметили, что при поглощении нейтронов ураном-238 образуется плутоний-239, который тоже можно использовать для цепной реакции. На основе данного наблюдения были сконструированы первые промышленные атомные реакторы и небольшие установки для производства энергии на субмаринах, а в 1951 г. атомная станция американского штата Айдахо зажгла четыре лампочки. Но это были еще не те масштабы, которые позволили бы обеспечить дешевой энергией всю планету. Как сделать, чтобы топливо в зоне реакции сгорало при более высоких температурах и давлении? И чтобы материалы выдерживали такие нагрузки без повреждений?

Учитывая эти проблемы, советские ученые в 1950 г. начали сооружение экспериментальной установки «Атом мирный». Для конспирации уран в документах шифровался названием «активный полимер», нейтроны выступали «нулевыми точками», уран-графитовый реактор именовался «оловянно-керамическим кристаллизатором».

Основой для ядерного реактора была выбрана… видавшая виды турбина мощностью всего 6 МВт. При таких исходных данных мощность установки могла составить не более 30 МВт. Роль теплоносителя досталась горячей воде, на которую предполагалось оказывать давление 100 атм. Расчеты показали: если охладительная система повредится и вода попадет на конструкцию из урана и графита, скорость деления ядер резко возрастет, а это очень опасно. Однако полное прекращение подачи воды остановит реакцию. (Кстати, по такому же принципу «работает» естественный атомный реактор в урановом руднике Габона.)

В качестве ядерного горючего взяли 546 кг урана, содержавшего 5 % обогащенного урана-235. Это топливо надлежало поместить в тепловыделяющие элементы (твэлы), для изготовления которых поначалу пытались использовать сталь и сплавы с молибденом. Увы, данные вещества оказались слишком недолговечными, а вот уран-молибденовый сплав в матрице из магния выдерживал мощнейшие потоки тепла.

Читать:  Ультрафиолетовое излучение

Запуск электростанции состоялся в конце июня 1954 г., о чем сразу же сообщило информационное агентство ТАСС. Затем исследователи еще не один месяц дорабатывали установку, пытаясь предотвратить разные аварийные ситуации вроде попадания кислорода внутрь реактора. Впрочем, последующие полвека первая АЭС не только успешно вырабатывала энергию, но и предоставляла ученым поле для экспериментов. Остановили ее лишь в 2002 году.

Современные ядерные реакторы обеспечивают электричеством 10 млн мощных ламп, расходуя в год всего 1 кг горючего, которым по-прежнему служит уран. Подобно первой АЭС, нынешние станции состоят из твэлов и зоны реакции, в них также используются замедлители и теплоносители. Правда, в роли замедлителей теперь выступают разные вещества, твэлы на каждой станции имеют свою конструкцию, да и уран обогащается в разной степени. В Канаде научились использовать и вовсе необогащенное горючее, а еще были созданы установки, которым не требуется замедлитель: реакции в них протекают при участии плутония и быстрых нейтронов.

Конечно, производить атомную энергию очень сложно и опасно, ведь аварии на АЭС влекут ужасные последствия не только для людей, но и для целой планеты. Хотя, если все источники энергии на Земле иссякнут и мы не найдем им замены, ядерная энергетика окажется для нас безальтернативным вариантом.

Оставить эмоцию
Нравится Тронуло Ха-Ха Ого Печаль Злюсь
Поддержите проект Мир Знаний, подпишитесь на наш канал в Яндекс Дзен

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о