Окончание статьи: О технических причинах Чернобыльской аварии. Лучшая статья из всех нами виденных.

Это окончание статьи: О технических причинах Чернобыльской аварии. Лучшая статья из всех нами виденных. на EnergyFuture.ru начало статьи тут, продолжение здесь

Нейтронный клин

Уран-238 от попадания нейтрона превращается в нептуний, а потом в плутоний. При этом выделяется примерно столько же энергии, сколько и привнесено попавшей частицей. Заметную энергию это ядро отдаёт только при распаде пополам. Но пока ещё этого распада дождёшься! Период полураспада урана-238 путём деления — примерно 40 миллионов миллиардов лет. То есть проще дожидаться распада и выделения энергии другими, более быстрыми, способами.

Главный из них, кстати — альфа-распад, то есть выброс ядра гелия-4. Остаток образует торий-234. Из него следующим альфа-распадом получается радий-230. Но куда вероятнее другие цепочки, с промежуточными превращениями нейтронов в протоны и выделением электронов (бета-распад). Так что самый распространённый изотоп радия — 226. Его и обнаружили супруги Кюри. Радий в свою очередь превращается в радон, тот — в полоний (тоже открытый Кюри) и, наконец, в стабильный свинец. Другие цепочки распадов дают протактиний, актиний, франций, астат, висмут. Квантовомеханические закономерности внутреннего устройства ядер приводят к тому, что все элементы между висмутом и ураном малостабильны. В сырье, из которого слеплена Солнце система — осколках взрывов звёзд первого поколения — их было немало. Но до наших дней почти все эти первичные ядра не дожили, и на Земле эти элементы бытуют только как продукты распада существенно более стабильного урана.

К счастью, другой изотоп урана — 235 — делится пополам не только по собственному желанию. Желания немного: период полураспада по отношению к делению — сто девяносто миллионов миллиардов лет (ещё больше, чем у урана-238: ядро чуть меньше — сильному взаимодействию проявиться чуть легче). Зато попадание нейтрона гарантирует урану-235 столь же энергичное деление. То есть распад этого изотопа — одно из немногих в ядерном мире событий, которыми можно управлять искусственно: выделение свободных нейтронов слишком больших энергозатрат не требует. Более того, на самом деле их летает вокруг нас так много, что измерение вероятности самостоятельного — не вызванного нейтронами — деления урана-235 требует немыслимых экспериментальных усилий.

Два с половиной нейтрона

При делении уранового ядра также выделяются нейтроны. Чего и следовало ожидать. Больше протонов в ядре — больше нейтронов нужно на каждый из них. Делится ядро пополам — часть нейтронов в каждой половинке оказывается лишней. Они могут распадаться сразу. Но немалая их часть вылетает из новых ядер, а распадается уже в свободном полёте.

В среднем на одно распавшееся урановое ядро приходится два с половиной (ох уж эта квантовая статистика!) нейтрона. Если все они проследуют в дело, реакция разовьётся устрашающим темпом. Ведь от распада ядра до выделения и поглощения всех нейтронов проходит (опять же в среднем) примерно сотая доля секунды (этого, кстати, достаточно, чтобы автоматика успевала регулировать работу реактора). Значит, за секунду число распадающихся ядер вырастет примерно в шесть тысяч миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов раз. На самом деле стольких атомов урана не найдётся во всей обозримой Вселенной, а любой реально достижимый заряд выгорит меньше чем за полсекунды.

Кто-то теряет

Конечно, далеко не каждый нейтрон, вылетевший из распавшегося ядра, разделит другое ядро. Коэффициент разветвления — отношение количеств делящихся ядер в соседних поколениях — неизбежно оказывается гораздо меньше теоретически возможных двух с половиной.

Какие-то нейтроны попадут в ядра других элементов, присутствующие в реакторе. Те, правда, могут от этого в свою очередь как-то измениться: искусственные радиоактивные изотопы — важный побочный продукт ядерного реактора. Погружая в активную зону реактора стержни с большой концентрацией ядер, хорошо поглощающих нейтроны, можно очень точно дозировать поток нейтронов. И даже полностью останавливать реакцию. Не зря часть стержней снабжают не очень точными, зато быстродействующими, приводами и используют не для тонкого управления, а только для аварийной остановки реактора. Остальную конструкцию строят из материалов, тщательно очищенных от поглощающих примесей. А заодно и от прочих: когда на одном электродном заводе размещали особо секретный заказ на графит для первого советского реактора, директор попросил Курчатова хоть намекнуть, каким именно способом предполагается изготовлять алмазы — другого применения для столь чистого графита в годы Великой Отечественной войны никто и вообразить не мог.

В природном уране на каждое ядро 235 приходится целых 140 ядер 238: уран-235 имеет период полураспада (по всем видам распада, вместе взятым) всего 713 миллионов лет — мелочь по сравнению с 4.5 миллиарда лет для урана-238 — и до наших дней дожило менее % его ядер, запасённых в момент образования Солнечной системы. Поэтому заметная часть нейтронов поглотится ядрами урана-238. Получится плутоний-239, тоже способный делиться от попаданий нейтронов и поэтому вполне эффективный в качестве топлива для ядерного реактора. «Но это, пойми, потом!» Образование ядра плутония-239 занимает более двух суток — по ядерным меркам вечность. То есть на природном уране реакция развиваться не будет. Поэтому его обогащают: отделяют часть урана-238, пользуясь ничтожной — чуть больше % — разницей в массе ядер. В реакторном уране обычно 10–15 % урана-235, в оружейном — больше 50 %.

Наконец, часть нейтронов просто вылетает за пределы уранового блока, так ни во что и не попав. Если блок слишком мал, вылетать будет так много нейтронов, что реакция вовсе не начнётся. Знаменитая критическая масса зависит, очевидно, и от формы блока, и от плотности размещения делящегося вещества. Например, для взрыва бомбы два куска урана плотно стыкуют — и в образовавшемся блоке поглощается достаточно нейтронов, чтобы реакция стала развиваться. А плутоний в бомбу помещают единым куском и окружают обычной взрывчаткой. Если её подорвать со всех сторон одновременно, плутоний так уплотнится, что станет сильнее поглощать нейтроны и реакция в нём пойдёт в полную силу.

Как бы то ни было, сокращать нейтронный поток несравненно легче, нежели наращивать. Из двух с половиной нейтронов, выделяющихся в одном акте деления, до следующего деления должен добираться ровно один — тогда реакция не будет ни разрастаться, ни затухать.

Разгон без спешки

Такой точный баланс поддержать трудно. Из-за неизбежных случайностей какие-то поколения нейтронов будут то многочисленнее, то беднее предыдущих. Соответственно и реакция будет то нарастать, то угасать.

К счастью, чем меньше коэффициент разветвления отличается от единицы, тем медленнее меняется интенсивность реакции. Поэтому времени на регулировку её хода перемещением управляющих стержней хватает. Исследовательские реакторы первых поколений вообще вручную управлялись — и никаких вредных последствий не было.

Вот запуск реактора сложнее. Коэффициент здесь обязательно должен превышать единицу — иначе реакция вовсе не будет нарастать. Поэтому малейшая невнимательность обернётся разгоном настолько быстрым, что можно и упустить момент выхода на номинальную мощность. Не говоря уж о температурных деформациях, сопутствующих быстрому нагреву.

Так что запускают реактор по ступенькам. Чуть поднимут мощность — и вновь приспускают управляющие стержни, доводят коэффициент разветвления до единицы. Дадут реактору поработать на установившейся мощности, убедятся, что реакция под контролем — и вновь приподнимут стержни, позволят реакции ещё немного разрастись. Штатный процесс запуска может занять в большом реакторе несколько суток.

Самоотравление

Такая медлительность важна ещё и потому, что активные поглотители нейтронов не только включены в состав управляющих стержней. Изрядное их количество образуется непосредственно в ходе работы. Среди осколков урановых ядер встречаются самые разнообразные ядра — в том числе и поглотители. По мере пуска реактора их концентрация меняется — и к этому надо успевать приспособиться. Реактор, подобно живому существу, сам себя отравляет отходами собственной деятельности.

Самые мощные из них — ксенон-135 и самарий-149. Изотоп самария стабилен, то есть из реактора его убирает только сам нейтронный поток, превращая в равнодушный к нейтронам самарий-150. А вот период полураспада ксенона-135 немногим более 15 минут. То есть этот тормоз и в неработающем реакторе очень быстро исчезает.

Еще записи на эту же тему:



Страницы: 1 2 3 4

Оставить комментарий (Зарегистрируйтесь и пишите коментарии без CAPTCHи !)

 
© 2008-2017 EnergyFuture.RU Профессионально об энергетике. All rights reserved. Перепечатка материалов разрешается при условии установки активной гиперссылки на EnergyFuture.RU.