Оказывается, можно построить реактор-размножитель, в котором из урана-238 или тория-232 накапливается больше ядерного горючего, чем сгорает.

Однажды Илья Муромец был побежден волшебными воинами. Рассечет богатырь мечом воина, а вместо одного появляются двое. В ядерном реакторе-размножителе все происходит, как и с волшебным войском: чем больше такой реактор вырабатывает тепла, тем больше в нем накапливается ядерного горючего.

Пока построены первые опытные реакторы-размножители. К середине 80-х годов, по оценкам ученых удастся создать совершенные реакторы такого типа. Тогда особенно возрастет роль ядерной энергии в нашей жизни. Огромный поток энергии промышленных реакторов-размножителей будет использоваться по-новому.

Представим себе громадный индустриальный комплекс будущего, совсем не такого уж и далекого. Энергию гигантский ядерный комплекс получает от реактора-размножителя в несколько миллионов киловатт. Вокруг энергетического центра расположены заводы и фабрики. Не видно привычных самосвалов, перевозящих сырье, топливо, руду. Доставка сырья и обслуживание комплекса предприятий другими материальными средствами осуществляются по подземным конвейерам и трубопроводам. Широкие транспортные тоннели соединяют городские кварталы со всеми производственными и общественными зданиями. Проблема загрязнения окружающей среды отходами производства решается использованием мощных очистительных сооружений. Энергии хватает на все. Добываются большие количества дешевого водорода. В его среде восстанавливается железная руда, выплавляется металл невиданной в наше время чистоты. Фосфор для химической промышленности и удобрений, карбид кальция, необходимый во многих производственных процессах, сталь, потребляемая машиностроением, — все это будет производиться в электрических печах. Сегодня только высокая стоимость электрической энергии ограничивает масштабы применения электростали самыми ответственными областями машиностроения, где нужен особо прочный, надежный металл.

Дешевая электрическая энергия — основа производства алюминия. Поэтому алюминий будет применяться еще шире, чем в наше время. Он пойдет на отделку зданий, изготовление мебели.

Изобилие энергии — это дешевые реактивы, необходимые мощным химическим заводам, электролитическая медь, синтетические материалы разнообразных видов.

Создавать комплексы предприятий будущего смогут только люди с глубокими знаниями, широким образованием— квалифицированные люди. В нашей стране принимаются все меры для роста квалификации кадров социалистической промышленности. В девятой пятилетке будет завершено введение всеобщего среднего образования. «Решение этой задачи, — подчеркивал тов. А. Н. Косыгин на XXIV съезде КПСС, — имеет огромное политическое и социальное значение. Осуществление всеобщего среднего образования предоставит каждому широкие возможности избирать профессию по призванию, наилучшим образом применять свои способности на благо всего общества». («Материалы XXIV съезда КПСС». М., Политиздат, 1971, стр. 180).

Наряду с осуществлением всеобщего среднего образования в новой пятилетке будет уделено большое внимание профессионально-техническому образованию, подготовке специалистов, в том числе для новых отраслей науки и техники. Поставлена задача подготовить за пятилетие не менее 9 миллионов квалифицированных рабочих и примерно 9 миллионов специалистов с высшим и средним образованием для всех отраслей народного хозяйства.

Основная работа по сооружению грандиозных ядерных комплексов ляжет на плечи сегодняшним школьникам. Тысячи молодых инженеров, ученых, рабочих будут заняты проектированием и пуском предприятий, построенных на основе новейших достижений науки.

Экономические исследования, проведенные за последние годы, выявили особенную перспективность размещения ядерных центров на землях, страдающих ог недостатка пресной воды. На нашей планете обширные пространства вдоль морских побережий лишены полностью или почти полностью пресной воды. Протяженность таких пустынь 30 000 километров — это три четверти земного экватора.

Мало людей представляют себе, какие огромные количества воды необходимы для производства. На выращивание зерна, которого хватает на ломоть хлеба, требуется 150 литров воды; чтобы домашнее животное прибавило в весе на один килограмм, требуется 35 000 литров!

В Советском Союзе особенно засушливы земли, лежащие на территории между Каспийским и Аральским морями.

Мощный реактор для опреснения воды и строится в этом районе на берегу Каспийского моря, неподалеку от города Шевченко, — прообраз энергетической основы будущих комплексных промышленных и сельскохозяйственных центров, питающихся водой, опресненной энергией тяжелых атомных ядер. В таких центрах на пустынных морских побережьях вырастут фабрики продовольствия — сельскохозяйственные предприятия, основанные на последних достижениях науки. Реактор-размножитель в один миллион киловатт за сутки опреснит полтора миллиона кубических метров воды. Вещества, извлеченные из морской воды, пойдут на производство ценнейших фосфорных и аммиачных удобрений. Часть ядерной энергии преобразуется в электричество. Реакторная электростанция даст возможность полностью электрифицировать переработку пищевого сырья.

На сотнях тысяч гектаров земли, орошаемой опресненной водой, люди будут собирать богатые урожаи. На необычной земле будут произрастать необычные растения — их выведут специально для посева на орошаемых землях. Облучая радиоактивными излучениями семена, селекционеры смогут воздействовать на наследственность и затем отбирать наиболее подходящие виды: урожайные, устойчивые к заболеваниям. Регулярное внесение в почву удобрений, получаемых с местных заводов, слабая зависимость от атмосферных условий, — все это позволит собирать ежегодно устойчивые урожаи зерновых культур, овощей, фруктов. Исчезнут неурожайные годы. Ядерный индустриально-сельскохозяйственный комплекс сможет производить в год 500 тысяч тонн высококачественного зерна — количество, достаточное для питания нескольких миллионов человек. Некогда пустынные берега покроются цветущими садами, фабриками и заводами. И основой такого промышленного района будет ядерная энергетическая установка с мощным реактором-размножителем.

Реактор-размножитель промышленного типа, обеспечивающий производство энергии по выгодным ценам, — основная цель, к которой стремятся ученые-энергетики. Разработано несколько типов ядерных реакторов, в которых накапливается ядерного горючего больше, чем выгорает. Самым перспективным типом считается реактор на быстрых нейтронах, загруженный плутонием. Такой реактор называют иногда «быстрым», подчеркивая, что цепная реакция в нем протекает на быстрых нейтронах. В процессе деления тяжелых ядер урана, плутония рождается иногда два, а иногда три нейтрона на каждый акт распада ядра. Появившиеся нейтроны обладают большой скоростью— 10 000 километров в секунду. Как мы знаем, в тепловом реакторе они теряют скорость, сталкиваясь с легкими ядрами замедлителя. В активной зоне быстрого реактора легких ядер почти нет, а тяжелые ядра слабо замедляют нейтроны. Быстрый нейтрон не успевает потерять энергию до своего столкновения с ядром плутония. Опыты показали, что в процессе взаимодействия быстрых нейтронов с плутонием чаще рождается три нейтрона. На десять случаев деления в семи появляется три, а в трех два нейтрона— всего 27. Следовательно, в среднем на захваченный плутонием нейтрон рождается 2,7 новых. Эта цифра играет громадную роль. Если бы после каждого деления освобождалось только два нейтрона, то и тогда, правда теоретически, можно добиться воспроизводства ядерного горючего. Действительно, один из нейтронов направим на поддержание ядерной реакции, а другой на образование плутония из урана-238. Тогда, распадаясь в цепной ядерной реакции, килограмм урана-235 даст столько же равноценного ядерного горючего — плутония. В действительности дело обстоит иначе, В реальном реакторе часть нейтронов покидает объем активной зоны, часть поглощается конструкционными материалами, ядрами изотопов, образующихся в процессе деления. Современный опыт подтверждает очевидную истину — без потерь нейтронов не обойтись. Чтобы количество накопившегося горючего равнялось количеству выгоревшего, в реальных атомных котлах в среднем на каждый акт деления должно рождаться 2,2 нейтрона. Но на каждый захваченный ядром плутония быстрый нейтрон возникает в среднем 2,7 нейтрона: 2,7–2,2=0,5. Таким образом, на два разделившихся ядра появляется лишний нейтрон, и его можно пустить на расширенное воспроизводство ядерного горючего.

Подсчитаем подробнее. Итак, на десять захваченных плутонием нейтронов высокой энергии в среднем появляется 27 нейтронов. Десять из них приходится возвращать цепной реакции, два теряются бесполезно, а пятнадцать идут на синтез плутония. Из десяти ядер плутония получается энергия, и число ядер в полтора раза больше исходного. Иными словами, на каждый килограмм выгоревшего в быстром реакторе плутония освобождается 22,5 миллиона киловатт-часов энергии и получается 1,5 килограмма плутония. Из 1,5 килограмма нового плутония после его химического выделения и загрузки в реактор-размножитель, в свою очередь, генерируется уже 34 миллиона киловатт-часов и накапливается 2,25 килограмма плутония.

Конструкция быстрого реактора очень сложна. Его активную зону нельзя охлаждать водой, да и количество других теплоносителей в ней приходится ограничивать до минимума. В зоне ядерной реакции нельзя помещать много и конструкционных материалов. Иначе нейтроны, рассеиваясь на сравнительно легких ядрах охлаждающего вещества и элементов конструкций, потеряют слишком много энергии и не обеспечат нужной высокой «рождаемости» нейтронов. С другой стороны, плутониевые стержни должны быть стойкими и к значительным тепловым нагрузкам и к длительной бомбардировке нейтронами и гамма-лучами.

Основная составляющая компактной активной зоны быстрого реактора — плутоний. Зона невелика по размерам и окружена массивным кольцом из урана-238, в котором цепная реакция не протекает. Из активной зоны в урановое кольцо «вытекают» нейтроны. Их захватывает уран, и его ядра переходят в плутоний. Так возрождается расщепившееся ядерное горючее. Кольцевая урановая зона и называется зоной воспроизводства. Обе зоны — активная и воспроизводства — охлаждаются жидким натрием.

Из активной зоны нагретый до высокой температуры натрий поступает в теплообменник и нагревает воду до 400°С. Вода в парогенераторе превращается в пар с давлением 40 атмосфер. Пар высокого давления отдает свою энергию турбине — приводу электрического генератора. Тепло отработанного пара идет на опреснение воды.

Расплавленный металл охлаждает! Звучит немного странно. Но стоит вспомнить о громадной мощности реакторов и сравнительно низкой температуре плавления натрия (+98°С), как все становится на свои места. Иногда зону охлаждают гелием под давлением нескольких сот атмосфер. Другие теплоносители для охлаждения зон быстрых реакторов не подходят. Вещества, в состав которых входит водород (вода, органические соединения), быстро замедляют нейтроны, а ведь именно такие вещества снимают тепло в подавляющем числе современных машин. Любое вещество замедляет нейтроны, но чем оно тяжелее, тем больше столкновений требуется, чтобы нейтрон стал медленным. Если бросить на тяжелую металлическую плиту биллиардный шар, то он отразится почти с такой же скоростью, с какой падал на плиту. Пусть теперь летящий шар столкнется лоб в лоб с таким же по массе свободно подвешенным на нити покоящимся шаром — шары обменяются энергией. Шар-снаряд остановится, а шар-мишень приобретет всю энергию.

Для нейтронов тяжелые ядра играют роль стальной плиты: быстрый нейтрон замедлится до тепловых энергий только после 2000 столкновений с ядрами урана-238. Нейтрон, взаимодействуя с ядром водорода, которое весит почти столько же, в некоторых случаях за одно столкновение передает всю энергию протону.

Почему же еще не созданы промышленные быстрые реакторы?

Прежде всего потому, что сегодня высока стоимость их строительства и эксплуатации.

В таком реакторе цепная реакция идет, только если в нем заложено более сотни килограммов ценнейшего плутония — металла в десятки раз дороже золота. Недешево обходится и обслуживание современного быстрого реактора. Часто приходится заменять плутониевые стержни активной зоны, потому что после превращения незначительной части плутония в ядра-осколки вещество стержня меняет структуру, стержень теряет прочность и становится непригодным для дальнейшей эксплуатации. Его извлекают и направляют на химический завод — первое звено регенерации. Поэтому каждый грамм ядерного топлива, прежде чем сгореть в реакторе, несколько раз циркулирует по сложной технологической цепи: на химическом заводе, в металлургической лаборатории, в цехе, где плутоний заключают в герметичную защитную оболочку. Многократные переработки повышают стоимость энергии, а ведь в конечном итоге стоимость ядерной энергии должна стать ниже обычной. Тогда она вытеснит другие источники, по-настоящему внедрится в нашу жизнь. Значит, нужно уменьшить число циклов, повысить работоспособность активной зоны, разработать рациональную технологию химической переработки облученных в реакторе стержней, упростить их конструкцию.

«...Необходимо решить важные научные задачи, связанные с развитием реакторов на быстрых нейтронах, осуществляющих воспроизводство атомного топлива. Сооружение опытных реакторов-размножителей промышленного масштаба уже начато. Но их широкое внедрение ставит большие задачи перед наукой», — говорил президент АН СССР академик М. В. Келдыш.

Одна из основных задач, стоящая перед инженерами и учеными, которые работают над созданием и внедрением быстрых реакторов, — выбор рациональной схемы охлаждения активной зоны. Пока считается самой перспективной система охлаждения, когда активная зона, теплообменники и натриевые насосы погружены в общий большой бак, наполненный расплавленным металлом.

Другая задача — разработка плутониевых стержней, способных длительное время выдерживать мощные потоки нейтронов, тепла и гамма-лучей, не меняя своих геометрических размеров и прочностных характеристик.

Лишь после решения этих проблем начнется промышленное освоение реакторов с расширенным воспроизводством горючего.

Однако не только на быстрых реакторах возможно расширенное воспроизводство. Мы уже упоминали, что после облучения нейтронами природный торий становится искусственным изотопом уран-233. В цепной реакции на тепловых нейтронах уран-233 дает больше дополнительных нейтронов, чем уран-235 или плутоний, но меньше, чем плутоний в быстром реакторе. В специально сконструированном тепловом атомном котле, загруженном ураном-233 и торием, на каждый килограмм распавшегося в нейтронном потоке урана-233 можно получить 1,1 килограмма этого же изотопа. В наше время такие реакторы отодвинуты на второй план в основном потому, что в плутониевом цикле: плутоний осколки деления + нейтроны нейтроны + уран-238 — > плутоний, коэффициент воспроизводства больше, чем в уран-ториевом цикле: уран-233 осколки + нейтроны торий + нейтроны уран-233.

В первом цикле на грамм выгоревшего образуется 1,7 грамма нового плутония, а в уран-ториевом цикле на 1 грамм урана-233 возникает только 1,1 грамма ядерного горючего. Высокий коэффициент воспроизводства играет большую роль, но в конечном итоге важны экономические факторы — стоимость производимой энергии и возможность быстрого наращивания энергетических мощностей.

Кроме коэффициента воспроизводства, приходится учитывать и оборачиваемость ядерного горючего. Так, скажем, если уран-233 в тепловом реакторе будет сгорать в 10 раз быстрее, чем плутоний в реакторе на быстрых нейтронах, то за один и тот же период уран-ториевый реактор даст прибавку горючего, равную его первоначальной загрузке (100 %), а уран-плутониевый только 70 %.

Почему такое предпочтение уран-ториевому циклу? Есть для этого веские основания. Уран-ториевый цикл протекает в тепловом реакторе, где горючее распределено вместе с замедлителем в большом объеме. В тепловую активную зону сравнительно просто ввести много охладителя и с каждого грамма урана-233 снять огромное количество тепла — гораздо большее, чем с грамма плутония, заложенного в компактную и трудную для охлаждения зону быстрого реактора.

Поэтому сейчас некоторые ученые считают, что списывать со счета уран-ториевый цикл еще рано. Быть может, развитие ядерной энергетики заставит нас изменить взгляды на соотношение сил в конкурентной борьбе «быстрых» и «медленных» реакторов.

Этап тепловых реакторов — естественная и неизбежная ступень в ядерной энергетике. Первоначальные запасы плутония, необходимые для пуска быстрых реакторов-размножителей, можно было накопить лишь в тепловых реакторах на естественном уране. Тепловой этап уже пройден. Плутония получено достаточно для загрузки многих реакторов-размножителей. Так, по опубликованным данным, в США ежегодно производится около 10 тонн плутония в год.

Волнует еще очень важная проблема — безопасность мощных ядерных установок. Системы автоматического регулирования должны быть такими, чтобы полностью исключалась возможность самопроизвольного разгона реактора в любых условиях. Должны быть предусмотрены даже землетрясения! Ведь если после сильного сейсмического толчка разрушится корпус реактора, выйдет из строя система регулирования мощности и начнется неуправляемый разгон, то нетрудно представить себе последствия — спекшиеся от высокой температуры стержни с ураном, выход в атмосферу радиоактивности, выпадение ее на поселки и города.

Инженеры принимают меры, исключающие полностью такие нежелательные сюрпризы. Реактор строят так, чтобы при любом повреждении любого существенного узла цепной процесс сам по себе останавливался.

Возникает и проблема удаления ядер-осколков, накапливающихся во время работы ядерных установок. Осколки — мощный источник ядерных излучений. Радиоактивность килограмма осколков превосходит мощность излучений 100 тысяч тонн богатой урановой руды! На первый взгляд цифра устрашающая. И все же ученые и инженеры нашли безопасные способы химической переработки ядерного горючего, способы надежного хранения радиоактивных отходов. Постоянно совершенствуются методы химического разделения продуктов ядерных процессов на отдельные элементы. Тем самым расширяется область применений радиоактивных отходов. Иногда встречаются высказывания, что использование излучений осколков деления может быть не менее эффективным для народного хозяйства, чем и сама ядерная энергетика. Конечно, такие мысли не более чем крайность. Но нет дыма без огня. Несомненно, значение радиоактивных излучений осколочного происхождения со временем будет расти.

Дешевая энергия и пресная вода, добытые в изобилии, станут одним из важнейших факторов, обеспечивающих развитие коммунистического общества. С корабельных верфей сойдут быстроходные суда, способные совершать несколько кругосветных путешествий, не заправляясь горючим. С космодромов возьмут старт сверхмощные межпланетные ракеты. Их двигатели будут заряжены плутонием, накопленным в реакторах-размножителях, калорийность которого в миллионы раз превосходит химическую энергию лучшего обычного топлива. Ученые надеются, что в начале XXI века космические путешествия на Марс будут совершаться на кораблях, движимых энергией ядерного реактора. На ядерной энергии НННИи сможет работать система жизнеобеспечения космонавтов. Реакторы снабдят теплом, светом первые поселения людей на Луне и, возможно, на других планетах.