(англ. Arthur Jeffrey Dempster ) .

В отличие от другого, наиболее распространённого изотопа урана 238 U , в 235 U возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция . Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах , а также в ядерном оружии .

Именно этот уран использовался при ядерной бомбардировке Хиросимы , в бомбе «Малыш» .

Образование и распад

Уран-235 образуется в результате следующих распадов:

Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:

Вынужденное деление

В продуктах деления урана-235 было обнаружено около 300 изотопов различных элементов : от Z = 30 (цинк) до Z = 64 (гадолиний). Кривая зависимости относительного выхода изотопов, образующихся при облучении урана-235 медленными нейтронами, от массового числа - симметрична и по форме напоминает букву «M». Два выраженных максимума этой кривой соответствуют массовым числам 95 и 134, а минимум приходится на диапазон массовых чисел от 110 до 125. Таким образом, деление урана на осколки равной массы (с массовыми числами 115-119) происходит с меньшей вероятностью, чем асимметричное деление , такая тенденция наблюдается у всех делящихся изотопов и не связана с какими-то индивидуальными свойствами ядер или частиц, а присуща самому механизму деления ядра. Однако асимметрия уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра, и при энергии нейтрона более 100 МэВ распределение осколков деления по массам имеет один максимум, соответствующий симметричному делению ядра.

Осколки, образующиеся при делении ядра урана, в свою очередь являются радиоактивными, и подвергаются цепочке β − -распадов , при которых постепенно в течение длительного времени выделяется дополнительная энергия. Средняя энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра урана-235 с учётом распада осколков, составляет приблизительно 202,5 МэВ = 3,244⋅10 −11 Дж , или 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг .

Деление ядер - лишь один из множества процессов, возможных при взаимодействии нейтронов с ядрами, именно он лежит в основе работы любого ядерного реактора .

Цепная ядерная реакция

При распаде одного ядра 235 U обычно испускается от 1 до 8 (в среднем – 2,416) свободных нейтронов. Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра 235 U, при условии взаимодействия с другим ядром 235 U, может вызвать новый акт распада, это явление называется цепной реакцией деления ядра .

Гипотетически, число нейтронов второго поколения (после второго этапа распада ядер) может превышать 3² = 9. С каждым последующим этапом реакции деления количество образующихся нейтронов может нарастать лавинообразно. В реальных условиях свободные нейтроны могут не порождать новый акт деления, покидая образец до захвата 235 U, или будучи захваченными как самим изотопом 235 U с превращением его в 236 U, так и иными материалами (например, 238 U, или образовавшимися осколками деления ядер, такими как 149 Sm или 135 Xe).

В реальных условиях достичь критического состояния урана не так просто, поскольку на протекание реакции влияет ряд факторов. Например, природный уран лишь на 0,72 % состоит из 235 U, 99,2745 % составляет 238 U , который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер 235 U. Это приводит к тому, что в природном уране в настоящее время цепная реакция деления очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию деления можно несколькими основными путями :

• увеличить объём образца (для выделенного из руды урана возможно достижение критической массы за счёт увеличения объёма);
• осуществить разделение изотопов, повысив концентрацию 235 U в образце;
• уменьшить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
• использовать вещество - замедлитель нейтронов для повышения концентрации тепловых нейтронов .

Изомеры

Применение

• Уран-235 используется в качестве топлива для ядерных реакторов , в которых осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления;
• Уран с высокой степенью обогащения применяется для создания ядерного оружия . В этом случае для высвобождения большого количества энергии (взрыва) используется неуправляемая цепная ядерная реакция.

Уран представляет собой радиоактивный металл. В природе уран состоит из трех изотопов: уран-238, уран-235 и уран-234. Наивысший уровень стабильности фиксируется у урана-238.

Радиоактивный распад урана

Радиоакти́вным распа́дом называют процесс внезапного изменения состава или внутреннего строения атомных ядер, которые отличаются нестабильностью. При этом испускаются элементарные частицы, гамма-кванты и/или ядерные фрагменты. Радиоактивные вещества содержат радиоактивное ядро. Получившееся вследствие радиоактивного распада дочернее ядро может тоже стать радиоактивным и спустя определенное время подвергается распаду. Этот процесс происходит до того момента, пока не образуется стабильное ядро, лишенное радиоактивности. Э. Резерфорд методом эксперимента в 1899 доказал, что урановые соли испускают три вида лучей:

• α-лучи - поток положительно заряженных частиц
• β-лучи - поток отрицательно заряженных частиц
• γ-лучи - не создают отклонений в магнитном поле.

Радиоактивность урана

Естественная радиоактивность - вот что отличает радиоактивный уран от прочих элементов. Атомы урана не зависимо ни от каких факторов и условий постепенно изменяются. При этом испускаются невидимые лучи. После трансформаций, которые происходят с атомами урана, получается иной радиоактивный элемент и процесс повторяется. Он будет повторять столько раз, сколько необходимо, чтобы получился не радиоактивный элемент. К примеру, некоторые цепочки превращений насчитывают до 14 стадий. При этом промежуточным элементом является радий, а последняя стадия - образование свинца. Этот металл не является радиоактивным элементом, поэтому ряд превращений прерывается. Однако для полного превращения урана в свинец необходимо несколько миллиардов лет.
Радиоактивная руда урана часто становится причиной отравлений на предприятиях, занимающихся добычей и переработкой уранового сырья. В человеческом организме уран - общеклеточный яд. Он поражает главным образом почки, но встречаются и поражения печени и желудочно-кишечного тракта.
Уран не имеет полностью стабильных изотопов. Наибольший период жизни отмечается у урана-238. Полу распад урана-238 происходит на протяжении 4,4 млрд лет. Чуть меньше одного миллиарда лет идет полу распад урана-235 — 0,7 млрд лет. Уран-238 занимает свыше 99% всего объема природного урана. Вследствие его колоссального периода полураспада радиоактивность этого металла не высокая, к примеру, альфа-частицы не могут проникнуть через ороговевший слой кожи человека. После ряда проведенных исследований ученые выяснили, что главным источником радиации является не сам уран, а образуемый им газ радон, а также продукты его распада, попадающие в человеческий организм во время дыхания.

Уран. Природный уран состоит из смеси трех изотопов: уран-234, уран-235, уран-238. Искусственные радиоактивные - с массовыми числами 227-240. Период полураспада урана-235 - 7х108 лет, урана-238 - 4,5х109 лет. При распаде урана и дочерних радионуклидов испускаются альфа- и бета-излучения, а также гамма-кванты. Проникает уран в организм разными путями, в том числе и через кожу. Растворимые соединения быстро всасываются в кровь и разносятся по органам и тканям, накапливаясь в почках, костях, печени, селезенке. Биологический период полувыведения из легких - 118-150 суток, из скелета - 450 суток. За счет урана и продуктов его распада годовая составляет 1,34 мЗв.

Торий . Торий-232 - инертный газ. Продукты его распада - твердые радиоактивные вещества. Период полураспада - 1,4х1010 лет. При превращениях тория и продуктов его распада выделяются альфа- бета- частицы, а также гамма- кванты. В минерале торианите содержится до 45-88% тория. Из сплава тория с обогащенным ураном изготавливаются ТВЭЛы. В организм поступает через легкие, желудочно-кишечный тракт, кожу. Накапливается в костном мозге, селезенке. Биологический период полувыведения из большинства органов - 700 суток, из скелета - 68 лет.

Радий . Радий-226 является важнейшим радиоактивным продуктом распада урана-238. Период полураспада 1622 года. Это серебристо-белый металл. Широко применяется в медицине в качестве источника альфа-частиц для лучевой терапии. Поступает в организм через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт и кожу. Большинство поступившего радия депонируется в скелете. Биологический период полувыведения из костей около 17 лет, из легких -180 дней, из других органов выводится в первые двое суток. При попадании в организм человека вызывает повреждение костной ткани, красного костного мозга, что приводит к нарушению гемопоэза, переломам, развитию опухолей. В течение одних суток 1г радия дает при распаде 1мм3 радона.

Радон. Радон-222 - бесцветный газ без запаха. Период полураспада 3,83 суток. Продукт распада радия-226. Радон - альфа- излучатель. Он образуется в месторождения урана в радиоактивных рудах, содержится в природном газе, грунтовых водах и т.д. Может выходить и по трещинам горных пород, в плоховентилируемых шахтах, рудниках его концентрация может достигать больших величин. Радон встречается во многих строительных материалах. В атмосферу поступает также при вулканической деятельности, при производстве фосфатов, работе геотермальных энергетических станций.

В лечебных целях применяется в виде радоновых ванн при лечении заболеваний суставов, костей, периферической нервной системы, хронических гинекологических заболеваний и др. Применяется также в виде ингаляций, орошений, приема внутрь воды, содержащей радон. В организм поступает в основном через органы дыхания. Период полувыведения из организма в пределах суток. Радон дает ¾ годовой эквивалентной дозы от земных источников облучения, и около ½ дозы от всех естественных источников радиации.

Калий. Калий-40 - серебристо-белый металл, в свободном виде не встречается, так как очень химически активен. Период полураспада
1,32 х 109 лет. При распаде излучает бета-частицу. Является типичным биологическим элементом. Потребность человека в калии - 2-3 мг на кг веса в сутки. Много калия содержится в картофеле, свекле, помидорах. В организме всасывается 100% поступившего калия, распределяется равномерно по всем органам, относительно больше его в печени, селезенке. Период полувыведения около 60 суток.

Йод. Йод-131 образуется в реакциях деления урана и плутония, а также при облучении теллура нейтронами. Период полураспада 8,05 дней. Поступает в организм через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт (всасывается 100% поступившего йода), кожу. Накапливается в основном в щитовидной железе, концентрация его в железе в 200 раз выше, чем в других тканях. Распадаясь, йод выделяет бета-частицу и 2 гамма-кванта. Период полувыведения из щитовидной железы 138 дней, из других органов 10-15 суток. Из организма беременной женщины йод через плаценту переходит к плоду.

Цезий. Цезий-137 вносит решающий вклад в суммарную эквивалентную дозу облучения. Цезий - серебристо-белый металл. Является источником бета- и гамма- излучений. Период полураспада цезия-137 -
30 лет. До аварии на ЧАЭС основным источником поступления цезия в окружающую среду являлись ядерные взрывы. Большая часть выпавшего цезия находится в форме, которая легко усваивается. В растениях в основном накапливается в соломе и ботве. В кишечнике всасывается 100% поступившего цезия. Накапливается он в основном в мышечной ткани. Период полувыведения из мышц - 140 суток.

Стронций . Стронций-90 - период полураспада - 28,6 лет (у стронция-89 - 50,5 суток). Стронций-90 -бета-излучатель. Стронций легко усваивается растениями, животными, человеком. Концентратором стронция является - кукуруза, содержание стронция в ней в 5-20 раз больше, чем в почве. В организме человека в зависимости от диеты усваивается в желудочно-кишечном тракте от 5% до 100% поступившего стронция (в среднем 30%). Накапливается в основном в скелете. Максимальная концентрация наблюдается у детей до 1 года. Период полувыведения стронция из мягких тканей составляет до 10 суток, из костей - до 8-10 лет.

Плутоний . Плутоний-239 - является альфа-излучателем. Период полураспада его 24360 лет. Это серебристо-белый металл. Источником поступления плутония являются ядерные взрывы, а также реакторы АЭС, особенно аварийные выбросы. В почве находится в поверхностных слоях и донных отложениях водоемов. Поступает в организм через легкие и желудочно-кишечный тракт, причем усваивается из ЖКТ - значительно меньше 1%. Накапливается в легких, печени, костной ткани. Период полувыведения из скелета составляет 100 лет, из печени - 40 лет.

Америций . Америций-241 - продукт распада плутония-241 (период полураспада 241Рu составляет - 14,4 года). Период полураспада америция-241 составляет 432,2 года, при распаде выделяется альфа- частица. Америций растворяется в воде значительно лучше плутония, поэтому отличается большей миграционной способностью. Накапливается до 99% в поверхностных слоях почвы, 10% америция находится в растворенной форме и легко усваивается растениями. Концентрируется у человека в скелете, печени, почках. Период полувыведения из скелета - до 30 лет, из печени - до 5 лет.

Сосредоточение усилий на производстве плутония дало мощный успех, но то, что Берия не успевал уделить достаточно личного внимания получению урана-235, сказывалось – дело на этом направлении шло плохо. Очень плохо!

Стоял сентябрь 1949 года, еще и месяца не прошло после успешного испытания первой советской атомной бомбы, а Берия в своем кремлевском кабинете выслушивал доклад сотрудника, вернувшегося из командировки на уральский комбинат – тот самый, который был построен для разделения изотопов урана.

– Я считаю, что положение на комбинате 813 уже нельзя назвать кризисным, – докладывал сотрудник. – Они почти год не могут ввести в эксплуатацию завод диффузионного разделения урана. Там многие работники, в том числе и руководители, просто отчаялись, работают механически, не веря в успех. Это не кризис, это напоминает агонию.

Берия долго и задумчиво молчал, потом снял телефонную трубку и дал команду.

– К вечеру подготовьте мне вагон, я выезжаю на Урал.

Берия прошелся по заводу Д-1 комбината 813 – по заводу, на котором в специальных машинах путем диффузии гексафторида изотопов урана должен был выделяться из смеси изотопов изотоп урана-235.

Затем собрал совещание, на котором присутствовало около сотни специалистов, как самого комбината, так и поставщиков оборудования, и представителей науки.

Когда подчиненные паникуют, руководитель обязан оставаться спокойным. И чем больше паникуют подчиненные, тем более спокойным должен быть руководитель, иначе любая его горячность будет воспринята подчиненными и за его панику, и тогда их собственная паника и отчаяние будут неконтролируемы. Всем своим спокойным и даже несколько безразличным видом руководитель должен пока зывать, что «мы и из худших выбирались передряг», и что нужно лишь немного усилить нажим, еще чуть-чуть пошевелить мозгами, и дело будет сделано.

– В целом я знаком с проблемами вашего завода, – спокойно начал Берия, – но хотел бы сейчас услышать их из ваших уст. Давайте начнем с самого младшего по должности, а закончим директором завода.

Сначала, как водится, народ стесняется начальства, особенно большого, но такая обязанность говорить – начиная с младшего, – снимает стеснительность, и люди выкладывают все, что знают.

То, что Берия услышал на совещании, наряду с увиденным в цехах, в сумме дало достаточно безрадостную картину.

На газоразделительном заводе Д-1 сразу же после пус¬ коналадочных работ на первых введенных в эксплуатацию каскадах, состоящих в основном из диффузионных машин ЛБ-7, начались массовые выходы из строя машин, работающих на рабочем газе (гексафториде урана). В дальнейшем это повторилось и на машинах ЛБ-8 и ЛБ-9. Причины аварий – заедание шариковых подшипников электропривода компрессора, приводящее либо сразу к его остановке, либо к быстрому износу подшипников, сопровождаемому недопустимой вибрацией компрессора. А ведь это были специальные, высокооборотные подшипники, которые должны были служить десятки тысяч часов, но реально они выходили из строя через несколько сотен часов работы, а некоторые нормально вращались только несколько десятков часов.

И на заводе Д-1 за сутки выходило из строя до 50 компрессоров, а это было больше, чем можно было смонтировать новых машин. Это была мучительная работа, не прерывавшаяся ни днем, ни ночью – замена вышедших из строя многотонных компрессоров новыми или отремонтированными машинами! Ведь все машины до их аварийной остановки были заполнены рабочим газом – химически агрессивным радиоактивным гексафторидом урана, уже успевшим получить некоторое изменение в своем изотопном составе.

Было непонятно, почему изготовленные по первому классу точности шариковые подшипники, прошедшие специальный отбор, выходят из строя? При заводских и комиссионных приемных испытаниях ведь все было в порядке.

Стали искать причину в недостатках сборки, в отклонениях требований к механической обработке, а выход из строя подшипников с вводом в эксплуатацию новых и новых каскадов нарастал и нарастал.

Ремонт машин был очень трудным. Из-за одного вышедшего из строя компрессора приходилось останавливать и отключать от каскада целый блок из 12 машин, откачивать из него рабочий газ, снимать с места и транспортировать в цех ревизии аварийную машину, обнажая при этом весьма чувствительные к влаге и коррозии пакеты пористых пластин, установленных в баке-делителе. Вместо изъятых машин монтировались новые или уже отремонтированные машины, повторяя весь цикл монтажа снова и снова (откачка, проверка на вакуумную плотность, наполнение газом и т.п.). И опять без уверенности, что замененная машина долго проработает. Эта трудоемкая изнурительная работа полностью дезорганизовала пуск завода Д-1 и была настоящим бедствием, что вызвало у некоторых руководителей неверие в успех промышленного освоения диффузионного метода.

Была и вторая беда, еще более тяжкая – был обнаружен недопустимо высокий уровень коррозии (разложения) рабочего газа (гексафторида урана) в машинах. Это приводило к тому, что поток высокообогащенного газа конечных каскадов практически не достигал, так как гексафторид урана разлагался, значительная часть его потока превращалась в порошок (тетрафторид урана) и осаждалась на внутренних стенках машин.

Процессы коррозии особенно сильно ускорял влажный воздух, засасываемый из атмосферы в вакуумный объем машин и коммуникаций. Он проникал в машины при недостаточной герметичности фланцевых разъемов, которых было на заводе несколько десятков тысяч. А поскольку для ремонта аварийных машин надо было останавливать и вскрывать блоки или каскады, то избавиться от напуска влажного воздуха практически было невозможно.

К проблемам добавлялись сомнения в достаточной герметичности многочисленных тонкостенных труб разъемных газовых коммуникаций, имевших приварные фланцы. Общая протяженность их на заводе Д-1 достигала несколько километров.

Берия записывал ключевые вопросы в блокнот, пытаясь отобрать из них наиглавнейшие и отсеять мелочь, которая будет решена и без него.

Особенно не понравилось ему итоговые выступления главного инженера и директора. Дело в том, что вначале на эти должности были назначены молодые инженеры, но перед пуском Берия, опасаясь, что молодые завалят его вопросами, заменил их на опытных. И ошибся! Эти опытные специалисты потеряли необходимый энтузиазм и теперь скорее имитировали привычную работу, а не штурмовали проблемы.

Оба они закончили свои выступления примерно одинаково:

«Мы считаем, что с таким составом оборудования завод работать не будет», – а ведь знали, что другого оборудования просто не существует!

– Хорошо, – сказал Берия, никак не прореагировав на выводы руководителей завода. – Теперь прошу высказаться о том, как ликвидировать недостатки. Представители Горь¬ ковского машзавода. Ваши машины ЛБ не работают. Начинайте с подшипников. Нашли причины их заклинивания?

– Это нашли, – сообщил горьковчанин. – Мы же артиллеристы, поэтому стремились к точности. Поставили очень точные подшипники, сделали очень точные посадки.

В результате роторы не имели люфтов. А при работе возникает неравномерный нагрев и неравномерное термическое расширение. Подшипник перекашивает и заклинивает.

– М-да. Всю жизнь нас, русских, критиковали за отсутствие точности, теперь мы точности добились, и снова нехорошо!

Продолжайте.

– Как это устранить – понятно. Прослабим подшипники и посадки, добьемся люфта. С коррозией гексафтори¬ да урана дело сложнее…

И так, выслушивая специалиста за специалистом, Берия выяснял, какие пути решения проблем уже найдены, а какие проблемы остаются без решения.

– Да, – вспомнил он в конце, – у нас еще есть выездная бригада ученых-физиков из Москвы. Что вы скажете?

– Товарищ Берия! – бодро начал физик. – Сначала я скажу в принципе, а потом зачту список наших предложений.

Дело в том, что из-за низкой, так сказать, научной и культурной подготовленности персонала завода, из-за низкой его дисциплины предлагаемые нами научные рекомендации не исполняются. Вот они…

– Читать список не надо, ситуация понятна и слушать эти рекомендации нет необходимости, оборвал выступающего Берия, поняв, что наука, как обычно, старается держаться отдельно от заводчан и, следовательно от их проблем.

– Давайте переходить к решениям, – Берия немного помолчал в задумчивости. – Начнем с директора. Преступно поручать бой командиру, который не верит в победу. Товарищ Кизима, вам с главным инженером мы найдем должности полегче. Директором завода снова назначаю товарища Чурина, а главным инженером – товарища Родионова.

Товарищ Алявдин работает в самом тяжелом цехе, а паники в его докладе я не уловил. Товарищ Алявдин назначается начальником производства.

Наука нам заявила, что штат завода не способен внедрить научные рекомендации…

– Я не это хотел сказать, – запротестовал физик, привыкший, что в «интеллигентной среде» не называют вещи своими именами.

– Но сказали. Поэтому всех командированных ученых из Москвы я включаю в штат завода и поручаю им исполнить их же рекомендации заводу.

– Мы не заслуживаем такого наказания! – вновь запротестовал физик.

– Вы считаете внедрение собственных научных идей наказанием?!

– Я не это хотел сказать… – растерялся ученый.

– Зато я сказал, что хотел сказать! – произнес Берия неожиданно ледяным тоном, и все вспомнили, кто он такой.

– Теперь. Большой проблемой является коррозия элементов машин ЛБ. У нас в СССР есть толковый металлофизик?

– Профессор Якутович из Свердловска, – послышался голос с места.

– Запишите фамилию, назначим его заместителем научного руководителя завода. Нужны химики-аналитики. Кто знает толковых? – продолжил Берия поиск решения проблем из своего списка.

Вечером, когда совещание уже изрядно устало и задымило воздух помещения до состояния лондонского смога, Берия согласовывал сроки исполнения с представителями Горьковского машиностроительного завода.

– Нам нужно шесть месяцев, чтобы реконструировать машины ЛБ, – утверждал горьковчанин.

– Вы что – спать на ходу собираетесь? – язвительно поинтересовался Берия.

– Но их шесть тысяч!

– Ничего, ваш директор Елян в войну и не такие задачи решал, – четыре месяца и ни днем больше! Кстати, вы Горьковский машиностроительный, а марка ваших машин начинается с буквы «Л», как будто машины ленинградские.

И вообще, что обозначает это «ЛБ»?

Все затихли и удивленно уставились на Берию.

– Товарищ Берия, – наконец ответил удивленный горьковчанин.

– «ЛБ» – это «Лаврентий Берия».

– Что?! – Берия откинулся на спинку стула. Это эпидемия какая-то… Партия поручила мне создать вокруг Москвы пояс противовоздушной обороны, оснащенный… скажем так, новым видом оружия. Конструкторы назвали его «Беркут». Ну, беркут и беркут – стремительная птица, и это оружие тоже стремительное. И вот мне сообщают, что «Беркут» – это в честь Берии. – снова придвигается к столу.

– Значит так. Передайте товарищу Еляну, что у него голова не тем занята! И чтобы все машины были готовы через три месяца!!

Справка: После убийства Л.П.Берии, диффузионные машины Горьковского машиностроительного завода были переименованы с ЛБ в ОК (отдельная конструкция), а система ПВО «Беркут » в С-25.

В 1950 году после комплектования завода машинами ЛБ-6 и замены всех двигателей ТД (двигатель-трансформатор) на машинах ЛБ-7 и ЛБ-8, а также после проведения пассивирующей обработки внутренних поверхностей машин и пористых фильтров всех машин, после полного ввода в эксплуатацию холодильной станции для подачи охлаждающей воды низкой (8-10°С) температуры, после постройки цеха сухого воздуха, наконец была налажена нормальная эксплуатация завода Д-1 и выпуск в проектном количестве урана235, вначале 75%-ного, а затем 90%-ного обогащения.

Специфические производственные и технические сложности и особенности всего комплекса диффузионной технологии оказались столь велики и неприступны, что этой технологией в мире могли овладеть после США (1945 г.) только три индустриально развитые страны: СССР в 1949 г. (завод Д-1), Великобритания в 1956 г. (завод в Кейпенхерсте) и Франция в 1967 г. (завод в Пьерлате).

А в СССР, вслед за заводом Д-1, в последующие годы уверенно вошли в строй заводы Д-3, Д-4, Д-5 и другие.

Ядерным топливом может служить уран-235, уран-233 и плутоний-239. В одной тонне естественного урана содержится немногим более 7 кг урана-235, а остальные 99,3% приходятся на долю неделящегося изотопа урана-238. Уран-233 и плутоний-239 (в природе их нет) можно получить в результате ядерных реакций соответственно из тория-232 (которого достаточно много в земных недрах) и из урана-238. В большинстве реакторов на тепловых нейтронах топливом служит слегка обогащенный уран, в котором содержание урана-235 доведено примерно до 2-3%. И хотя практическое использование урана на АЭС с такими реакторами не велико (от 1 до 2%), уже к 1980 году эксплуатация АЭС позволит уменьшить ежегодный расход угля на 30-35 млн. т. Это существенный вклад в улучшение структуры топливно-энергетического балансастраны. - Известно, что урана в недрах земли не так уж мало. Но ведь богатых залежей урановых руд, как, например, угля, в природе практически нет. Почти весь уран находится в рассеянном состоянии да и притом не в собственно урановых, а в ураносодержащих минералах. Правда, урана много в водах морей и океанов, но извлечь его оттуда не просто. И еще одно обстоятельство, о котором вы упомянули: использование урана в реакторах на тепловых нейтронах не велико. Словом, компенсируется ли все это той действительно фантастической концентрацией энергии в ядерном топливе? Не встанет ли довольно быстро перед атомной энергетикой все та же проблема - исчерпания топливных ресурсов! - Прежде всего замечу, что оснований для беспокойства нет. Запасов урана в земных недрах достаточно много, чтобы теперь или в ближайший обозримый период времени даже не прибегать к извлечению его из воды или тем более из гранитов и базальтов, где его очень много, но концентрация при этом крайне мала. Следует заметить, что атомная энергетика социалистических стран полностью обеспечивается ураном из месторождений, найденных в этих странах. Теперь по поводу использования урана. Тепловые электростанции при кпд 40% (а это почти предел для них) 3/5 всего сжигаемого топлива превращают в золу и дымовые газы. Ежегодно миллионы тонн топлива безвозвратно теряются. Ядерные реакторы действительно используют уран далеко не так рационально, как бы этого хотелось.Новот отработавшее ядерное топливо, или, если говорить на языке традиционной энергетики, атомную золу можно использовать повторно и, более того, многократно, очистив ее от продуктов деления, шлаков. Повторный возврат ядерного топлива в реактор позволит в 2-3 раза сократить расход естественного урана. Но эта задача we сегодняшнего дня, а ближайшего будущего, когда отработанного топлива накопится достаточно много. Но если бы преимущества ядерного топлива ограничивались только этим, то атомная энергетика по топливным ресурсам немногим отличалась бы от энергетики, основанной на угле или нефти. Конечно, в этом случае не могло бы быть и речи о том будущем, которое ей прочат. Замечу лишь, что по некоторым (далеко не самым оптимистическим) прогнозам зарубежных ученых удельный вес мировой атомной энергетики к 2000 году достигнет 40-50% от общей выработки электрической энергии. Итак, я подошел к самому главному: коренному отличию ядерного топлива от органического. Это отличие состоит в том, что, «сгорая» в реакторе, ядерное топливо не только высвобождает энергию, но и создает некоторое количество нового делящегося вещества. Происходит процесс воспроизводства ядерного топлива. Это и есть тот «золотой ключик», который откроет дверь в большое будущее атомной энергетики. Из всех типов реакторов, воспроизводящих атомное топливо, наиболее эффективен реактор на быстрых нейтронах (его еще называют реактор-размножитель, реактор-конвертор, или бридер). Именно в таком реакторе происходит не просто образование нового ядерного топлива, а его расширенное воспроизводство, то есть делящегося вещества образуется даже боль-ие, чем его «сгорает». Именно эта замечательная особенность ядерных реакторов, особенно на быстрых нейтронах, делает реальным полное использование чудесных возможностей урановых и ториевых запасов, находящихся в земных недрах. Без этого атомная энергетика действительно довольно-таки быстро столкнулась бы с проблемой нехватки ядерного топлива. - Напомните хотя бы вкратце физическую сущность процессавоспроизводства. - При попадании быстрых нейтронов в ядро урана-238 осуществляется несколько реакций и в результате образуется новое делящееся вещество - плутоний-239, который может быть топливом для реакторов на быстрых нейтронах. Таким
образом, неделящийся уран-238 можно почти полностью использовать в качестве ядерного топлива. Вот почему реакторы, в которых деление ядер урана происходит при захвате быстрых нейтронов, обладают поистине замечательными свойствами. Плутоний (самое выгодное делящееся вещество для реактора на быстрых нейтронах) при каждом делении дает около 2,9 нейтрона вместо 2,4 нейтрона при делении урана-235. Это очень важно. Ведь если рассматривать атомную энергетику с позиции правильного использования ядерного топлива, то основная задача, по существу, сводится к выбору методов наиболее рационального использования нейтронов. Все конструктивные решения при создании ядерных энергетических реакторов любых типов преследуют цель уменьшить бесполезные потери нейтронов, образующихся при делении ядер урана или плутония. Коэффициент воспроизводства ядерного топлива может достигать 1,4 и даже 1,7 (в зависимости от типа реактора), то есть, «сжигая» 1 кг плутония, реактор на быстрых нейтронах не только возвращает его, но и дает дополнительно 0,4-0,7 кг плутония, который может служить новым ядерным топливом. Конечно, никаких чудес в этом нет - закон сохранения вещества не нарушается: в топливный цикл вовлекается соответствующие количества урана-238. - Уже сам по себе факт, что атомная энергетика завоевала такие позиции, естественно, говорит о безопасности работы АЭС, их высокой надежности. Это, конечно, абсолютно необходимое условие получения атомной энергетикой «прав гражданства». Но столь же очевидно, что АЭС должны еще и отличаться приемлемыми технико-экономическими показателями. При каких условиях АЭС становятся конкурентоспособными в соревновании с традиционными и прежде всего тепловыми электростанциями! Эволюция энергетических уран-графитовых реакторов неразрывно связана с прогрессом в атомной технике и технологии реакторных материалов. В частности, успехи современной технологии жаропрочных циркониевых сплавов позволили применить их в этих реакторах вместо стали в качестве оболочек тепловыделяющих элементов и труб давления (правда, температура получаемого пара значительно ниже - 280° С,- чем при ядерном перегреве). В результате был создан одноконтурный уран-графитовый кипящий реактор мощностью 1 млн. кВт - РБМК-1000. Требуется решение многих научно-технических вопросов и накопление опыта эксплуатации головных образцов, прежде чем будут созданы и освоены мощные, высокоэкономичные и надежные энергетические реакторы на быстрых нейтронах. Напомню, что ядра урана-238 не делятся под действием тепловых нейтронов, оставаясь как бы нейтральными. Но уран-238 может делиться быстрыми нейтронами. Поэтому в реакторах-размножителях на быстрых нейтронах надо создать такие условия, чтобы энергия нейтрона оставалась высокой. Для этого активная зона реактора должна быть из обогащенного урана высокой концентрации и небольшой по объему. Отсюда и основные трудности при сооружении таких реакторов, ибо малый объем активной зоны приводит к увеличению плотности выделяемой энергии и потока тепла. Для его быстрого отвода из небольшой активной зоны в качестве теплоносителя советские ученые выбрали жидкий металл (натрий), а в качестве топлива - окись урана. Время показало, что они не ошиблись.