Я стану смертью, разрушителем миров. Как в США создали первый ядерный реактор
Мирным атомом мы обязаны совершенно не мирным целям. Первые ядерные реакторы были экспериментальными. И создавались они отнюдь не для того, чтобы получать «почти неисчерпаемый» источник энергии для промышленности или включения лампочек в домах. И американский, и советский экспериментальные ядерные реакторы должны были доказать возможность создания высокоэффективного взрывчатого вещества, аналогов которому планета Земля еще не знала. О первом ядерном реакторе, который и положил начало атомной бомбе, мы сегодня рассказываем.
Краткая предыстория
В 1935 году британскому физику Джеймсу Чедвику вручали Нобелевскую премию. Он заработал ее за открытие нейтрона тремя годами ранее. Ученый сумел правильно интерпретировать опыты своих коллег и определить массу нейтронов. На протяжении последующих лет ученые (Ирен Жолио-Кюри, Энрико Ферми) все плотнее подбирались к открытию деления ядра, облучая нейтронами различные атомы.
Этим же в нацистской Германии занимались Отто Ган и Фриц Штрассман. В декабре 1938 года они провели эксперимент, в результате которого пришли к выводу, что ядро урана при бомбардировке нейтронами распадается на более легкие элементы, а не образует более тяжелые. При этом суммарная масса продуктов деления оказывается меньше массы изначального ядра и нейтрона, а недостающая масса превращается в энергию. Правда, к этой мысли Гана подтолкнула коллега Лиза Мейтнер, ранее бежавшая из Германии физик еврейского происхождения. Публиковаться с немецким ученым ей было нельзя, поэтому сперва Отто опубликовал данные по химическому эксперименту, а потом им дала физическое обоснование Мейтнер.
Тут стоит отметить, что Ган был противником фашизма, протестовал против увольнения еврейских коллег из университетов. В конце Второй мировой войны союзники захватили десять немецких ученых, которые предположительно могли иметь отношение к ядерному проекту. Их на полгода закрыли в особняке недалеко от Кембриджа, где активно прослушивали. В числе ученых был и Отто.
Как и многие другие, он был шокирован известием об атомной бомбардировке японских городов. Историк Лоренс Бадаш писал, что новость надломила Гана. Он чувствовал личную ответственность за то, что его открытие унесло жизни тысяч людей. Опасаясь, что Отто может покончить жизнь самоубийством, его коллега постоянно находился рядом с ним. Из переговоров союзники выяснили, что Ганн отношения к ядерной программе нацистской Германии не имел, а сама она находилась на очень раннем этапе.
Возвращаясь на несколько лет назад, надо отметить, что открытие навело шороху в научном сообществе того времени и вызвало целую лавину публикаций и исследований, посвященных делению ядер.
Высказался и Альберт Эйнштейн. Ситуация в мире в 1939 году была напряженной, в воздухе витало предчувствие войны. Поэтому то, что деление ядер было открыто именно в Германии и было доступно немецкому правительству, не обнадеживало. В письме американскому президенту Рузвельту ученый писал:
— Некоторые недавние работы Ферми и Силарда, которые были сообщены мне в рукописи, заставляют меня ожидать, что уран может быть в ближайшем будущем превращен в новый важный источник энергии. Некоторые аспекты возникшей ситуации, по-видимому, требуют бдительности и при необходимости быстрых действий со стороны правительства…
. Стала вероятной возможность ядерной реакции в крупной массе урана, вследствие чего может быть освобождена значительная энергия и получены большие количества радиоактивных элементов… Это новое явление способно привести также к созданию бомб, возможно, хотя и менее достоверно, исключительно мощных бомб нового типа. Одна бомба этого типа, доставленная на корабле и взорванная в порту, полностью разрушит весь порт с прилегающей территорией.
В письме Эйнштейн просил оказать содействие американским ученым, которые работают с делением урана, так как аналогичные работы велись и в немецких институтах. И хоть Альберт был убежденным пацифистом, он решился подписать это письмо, так как опасался, что первыми успеха в создании атомной бомбы достигнут фашисты. Одним из инициаторов послания, а также автором большей его части был сам упомянутый Лео Силард, который посредством авторитетного голоса Эйнштейна хотел донести предупреждение до американских властей. Таким образом известный пацифист был косвенно втянут как в создание первого ядерного реактора, так и в создание первой атомной бомбы. Кто-то считает это письмо главным толчком к активизации исследования деления ядер, другие полагают, что и без Эйнштейна, но с тревожными данными английской разведки американцы ввязались бы в разработку нового вида оружия.
Лаборатория «Металлургическая»
— Та страна, которая первой сумеет практически овладеть достижениями ядерной физики, приобретает абсолютное превосходство над другими, — писали в 1939 году командованию Вермахта двое ученых из Гамбургского университета Пауль Гартек и Вильгельм Грот.
К осени 1942 года в США уже было преодолено большинство технологических барьеров, исследования оказались одобрены правительством, ученые получили в свое распоряжение достаточное количество графита, урана и его окиси. Проект по созданию атомной бомбы передали под начало военных, и он получил название Манхэттенского.
В рамках этого проекта была создана лаборатория с кодовым названием «Металлургическая», куда вошла экспериментальная группа Энрико Ферми — итальянского физика, бежавшего в США в 1939 году. Жена Энрико происходила из известной еврейской семьи, а к началу Второй мировой в стране был принят ряд законов, существенно дискриминирующих евреев. Выехав вместе с семьей на вручение Нобелевской премии, в Италию Ферми уже не вернулся. В США он начал работать над цепной реакцией деления ядер в уран-графитовой системе, что и привело его в лабораторию «Металлургическая».
Перед лабораторией стояла задача создать ядерный реактор, который бы доказал возможность самоподдерживаемой цепной ядерной реакции. Конечным продуктом такой реакции в результате поглощения ураном-238 избыточных нейтронов должен был стать плутоний-239 — исключительно полезный для военных изотоп, который в природе не встречается, но крайне охотно поддерживает цепную реакцию деления ядер. Кроме него в атомных бомбах используют уран-235. Он хоть и в малых количествах, но присутствует в природном уране. Природный уран же состоит из смеси трех изотопов, из которых самым распространенным является уран-238 (распространенность 99,27%). Он относительно стабилен и не способен к самостоятельной цепной реакции. Тогда как редкий уран-235 (распространенность 0,72%) способен поддерживать цепную ядерную реакцию.
Естественно, ученые не сразу приступили к строительству ядерного реактора. С 1941 года Ферми работал над подкритическими (коэффициент размножения нейтронов был меньше единицы, атомы не «горели», а «затухали») сборками меньших размеров, прежде чем приступить к строительству своего большого реактора. Стоит отметить, что и реактором-то его не называли. Долгое время в обороте был термин «атомный котел», в котором и «варили» уран. Хотя по форме это были отнюдь не котлы, а скорее квадратные поленницы.
Всего было собрано минимум 29 «поленниц». Самая первая была сложена из графитовых блоков (замедлителей нейтронов) размерами 10×10×30 см и кубов из окиси урана размерами 20×20×20 см и весом по 27 кг каждая. Для установки столь тяжелых кубов ученые привлекли местную футбольную команду, ребята из которой нуждались в подработке. В нижней части «поленницы» был установлен радион-бериллиевый источник нейтронов. Однако выхлоп от такой установки был разочаровывающим — коэффициент размножения нейтронов был равен 0,87, а цепная реакция быстро затухала.
Исторически важная дата: 75 лет назад в СССР был запущен первый ядерный реактор
Для всей атомной отрасли страны сегодня день особенный. Ровно 75 лет назад состоялся запуск первого отечественного реактора, что и по сей день позволяет нашей стране пользоваться энергией мирного атома и сохранять ядерный паритет с США.
Эти часы ученые группы Курчатова или, как ее называли, «лаборатории №2» остановили ровно в 18 часов 25 декабря 1946 года. Тогда здесь на пульте управления под радостные крики, вовсю звучал этот звук. Это счетчик уровня радиации в реакторе. Так страна взяла под контроль необузданную силу атома.
Нужно было спешить. Американская ядерная бомбардировка Японии не оставила сомнений, США обязательно используют атомную мощь как инструмент давления или как оружие в противостоянии с СССР. Наши ученые этого не допустили.
Михаил Ковальчук, президент Курчатовского института: «Казалось бы, мало заметное событие, но которое перевернуло мир. Мы с вами должны понимать, что мы с вами живы, и одно из немногих суверенных государств именно потому, что 25 декабря 1946 года вот здесь на территории Курчатовского института был пущен этот реактор».
К концу 46-го года на окраине Москвы было возведено здание, где в специальной шахте находился тот самый знаменитый реактор Ф1, родоначальник отечественных ядерных технологий. Сотрудница Курчатовского института ведет съемочную группу к нему по узкому спуску со свинцовыми стенами.
Реактор состоит из графитовых кирпичей, в которых ближе к центру устроены каналы для урановых стержней. В центре активной зоны стержни кадмиевые. Под контролем оператора они движутся вверх и вниз, запуская и останавливая ядерную реакцию.
Татьяна Питерская, заместитель руководителя отдела истории Курчатовского института: «Основная его задача – это доказать теорию на практике о том, что самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер урана возможна. Ну и также на этом реакторе были наработаны индикаторные количества плутония».
Позже оружейного плутония в СССР оказалось достаточно, чтобы успешно испытать собственную атомную бомбу, а еще позже достичь ядерного паритета с США. Страна начала развивать мирный атом. В 54-м году первая в мире атомная электростанция, в 59-м году первый в мире атомный ледокол, позже первый ускоритель термоядерного синтеза,Токамак. А продолжатели дела Курчатова работают сегодня над источниками энергии, которые обычному человеку и представить сложно.
Михаил Ковальчук, президент Курчатовского института: «А вы представьте себе, есть материал, называется термоэлектрики. Эти материалы поглощают тепло и превращают его в электричество, вот представьте себе, что мы научимся делать, и ничему крутиться не надо, у нас стоять будут батареи. Вот у нас есть такие прототипы, мы с их помощью будем осваивать Арктику».
С главой института корреспондент Первого канала говорил в одной из лабораторий, построенных вокруг синхротрона. Он позволяет заглянуть внутрь любого вещества с точностью до атома. В итоге создавать новые наноструктуры, например, для электронных проводов, передающих энергию без потерь, нанотранзисторов для электроники, биоразлагаемых полимеров для медицины. Вот, например, эти штифты для сращивания костей просто растворяются, выполнив свою задачу. Напыляемое нетканное волокно для лечения ожогов, на очереди искусственная кожа для трансплантаций. По словам Ковальчука, прежде для простоты ученые разделили познание на дисциплины. И это было не совсем верно. Сейчас исследования идут на стыке наук. Взять те же компьютеры.
Михаил Ковальчук, президент Курчатовского института: «Мы понимали, что надо скопировать мозг. Но в то время средства наши исследовательские не позволяли изучить биологические молекулы, из которых состоит живое. И теперь мы понимаем, как мозг устроен. Есть новый прототип компьютера. Совсем другой, который не будет потреблять энергию и будет аналогичен тому работать, как работает мозг».
Мыслить на столетия вперед – этот принцип Курчатова, реализуется в институте и сегодня. К 75-летию отечественного прорыва в ядерных технологиях посвящена выставка Ф1, феноменально первый, ядерный проект, который изменил мир. Открыта она для всех в павильоне ВДНХ «Рабочий и колхозница».
Ядерный реактор. История появления и классификация
Я́дерный реа́ктор — устройство, предназначенное для организации управляемой самоподдерживающейся цепной реакции деления, которая всегда сопровождается выделением энергии.
Первый ядерный реактор построен и запущен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. Первым реактором, построенным за пределами США, стал ZEEP, запущенный в Канаде 5 сентября 1945 года [«ZEEP — Canada’s First Nuclear Reactor», Canada Science and Technology Museum]. В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1, заработавшая 25 декабря 1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова [Грешилов А. А., Егупов Н. Д., Матущенко А. М. Ядерный щит. — М.: Логос, 2008. — 438 с. — ISBN 978-5-98704-272-0]. К 1978 году в мире работало уже около сотни ядерных реакторов различных типов.
Теоретическую группу «Урановый проект» нацистской Германии, работающую в Обществе кайзера Вильгельма, возглавлял Вайцзеккер, но лишь формально. Фактическим лидером стал Гейзенберг, разрабатывающий теоретические основы цепной реакции, Вайцзеккер же с группой участников сосредоточился на создании «урановой машины» — первого реактора. Поздней весной 1940 года один из учёных группы — Хартек — провёл первый опыт с попыткой создания цепной реакции, используя оксид урана и твёрдый графитовый замедлитель. Однако имеющегося в наличии делящегося материала не хватило для достижения этой цели. В 1941 году в Лейпцигском университете участником группы Гейзенберга Дёпелем был построен стенд с тяжеловодным замедлителем, в экспериментах на котором к маю 1942 года удалось достичь производства нейтронов в количестве, превышающем их поглощение. Полноценной цепной реакции немецким учёным удалось достичь в феврале 1945 года в эксперименте, проводимом в горной выработке близ Хайгерлоха. Однако спустя несколько недель ядерная программа Германии прекратила существование
[Horst Kant. Werner Heisenberg and the German Uranium Project (англ.). Preprint 203. Max Planck Institute for the History of Science (2002). Проверено 10 февраля 2012, архивировано 30 мая 2012 года];
[Круглов А. К. Как создавалась атомная промышленность в СССР. — М.: ЦНИИатоминформ, 1995. — 380 с. — ISBN 5-85165-011-7].
Цепная реакция деления ядер была впервые осуществлена в декабре 1942 года. Группа физиков Чикагского университета, возглавляемая Э. Ферми, создала первый в мире ядерный реактор, названный «Чикагской поленницей» (Chicago Pile-1, CP-1).
Он состоял из графитовых блоков, между которыми были расположены шары из природного урана и его диоксида. Быстрые нейтроны, появляющиеся после деления ядер 235 U, замедлялись графитом до тепловых энергий, а затем вызывали новые деления ядер. Реакторы, подобные СР-1, в которых основная доля делений происходит под действием тепловых нейтронов, называют реакторами на тепловых нейтронах. В их состав входит очень много замедлителя по сравнению с ядерным топливом.
В СССР теоретические и экспериментальные исследования особенностей пуска, работы и контроля реакторов были проведены группой физиков и инженеров под руководством академика И. В. Курчатова. Первый советский реактор Ф-1 был построен в Лаборатории № 2 АН СССР (Москва). Этот реактор выведен в критическое состояние 25 декабря 1946 года. Реактор Ф-1 был набран из графитовых блоков и имел форму шара диаметром примерно 7,5 м. В центральной части шара диаметром 6 м по отверстиям в графитовых блоках размещены урановые стержни. Реактор Ф-1, как и реактор CP-1, не имел системы охлаждения, поэтому работал на очень малых уровнях мощности. Результаты исследований на реакторе Ф-1 стали основой проектов более сложных по конструкции промышленных реакторов. В 1948 году введён в действие реактор И-1 (по другим данным он назывался А-1) по производству плутония, а 27 июня 1954 года вступила в строй первая в мире атомная электростанция электрической мощностью 5 МВт в г. Обнинске.
Классификации
1. По назначению
По характеру использования
[Дементьев Б. А. Ядерные энергетические реакторы. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — С. 21—22. — 351 с. — ISBN 5-283-03836-X];
[Бартоломей Г. Г., Бать Г. А., Байбаков В. Д., Алхутов М. С. Основы теории и методы расчёта ядерных энергетических реакторов / Под ред. Г. А. Батя. — М.: Энергоиздат, 1982. — С. 31. — 511 с.];
[Angelo, Joseph A. Nuclear technology. — USA: Greenwood Press, 2004. — P. 275—276. — 647 p. — (Sourcebooks in modern technology). — ISBN 1-57356-336-6]
ядерные реакторы делятся на:
— Энергетические реакторы, предназначенные для получения электрической и тепловой энергии, используемой в энергетике, а также для опреснения морской воды (реакторы для опреснения также относят к промышленным). Основное применение такие реакторы получили на атомных электростанциях. Тепловая мощность современных энергетических реакторов достигает 5 ГВт. В отдельную группу выделяют:
— Транспортные реакторы, предназначенные для снабжения энергией двигателей транспортных средств. Наиболее широкие группы применения — морские транспортные реакторы, применяющиеся на подводных лодках и различных надводных судах, а также реакторы, применяющиеся в космической технике.
— Экспериментальные реакторы, предназначенные для изучения различных физических величин, значение которых необходимо для проектирования и эксплуатации ядерных реакторов; мощность таких реакторов не превышает нескольких кВт.
— Исследовательские реакторы, в которых потоки нейтронов и гамма-квантов, создаваемые в активной зоне, используются для исследований в области ядерной физики, физики твёрдого тела, радиационной химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных потоках (в том числе деталей ядерных реакторов), для производства изотопов. Мощность исследовательских реакторов не превосходит 100 МВт. Выделяющаяся энергия, как правило, не используется.
— Промышленные (оружейные, изотопные) реакторы, используемые для наработки изотопов, применяющихся в различных областях. Наиболее широко используются для производства ядерных оружейных материалов, например 239 Pu. Также к промышленным относят реакторы, использующиеся для опреснения морской воды.
Часто реакторы применяются для решения двух и более различных задач, в таком случае они называются многоцелевыми. Например, некоторые энергетические реакторы, особенно на заре атомной энергетики, предназначались, в основном, для экспериментов. Реакторы на быстрых нейтронах могут быть одновременно и энергетическими, и нарабатывать изотопы. Промышленные реакторы кроме своей основной задачи часто вырабатывают электрическую и тепловую энергию.
2. По спектру нейтронов
3. По размещению топлива
— Гетерогенные реакторы, где топливо размещается в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель;
— Гомогенные реакторы, где топливо и замедлитель представляют однородную смесь (гомогенную систему).
В гетерогенном реакторе топливо и замедлитель могут быть пространственно разнесены, в частности, в полостном реакторе замедлитель-отражатель окружает полость с топливом, не содержащим замедлителя. С ядерно-физической точки зрения критерием гомогенности/гетерогенности является не конструктивное исполнение, а размещение блоков топлива на расстоянии, превышающем длину замедления нейтронов в данном замедлителе. Так, реакторы с так называемой «тесной решёткой» рассчитываются как гомогенные, хотя в них топливо обычно отделено от замедлителя.
Блоки ядерного топлива в гетерогенном реакторе называются тепловыделяющими сборками (ТВС), которые размещаются в активной зоне в узлах правильной решётки, образуя ячейки.
4. По виду топлива
— изотопы урана 235 U, 238 U, 233 U
— изотоп плутония 239 Pu, также изотопы 239-242 Pu в виде смеси с 238 U (MOX-топливо)
— изотоп тория 232 Th (посредством преобразования в 233 U)
По степени обогащения:
— природный уран
— слабо обогащённый уран
— высоко обогащённый уран
По химическому составу:
— металлический U
— UO2 (диоксид урана)
— UC (карбид урана) и т.д.
5. По виду теплоносителя
6. По роду замедлителя
— С (графит, см. Графито-газовый реактор, Графито-водный реактор)
— H2O (вода, см. Легководный реактор, Водо-водяной реактор, ВВЭР)
— D2O (тяжёлая вода, см. Тяжеловодный ядерный реактор, CANDU)
— Be, BeO
— Гидриды металлов
— Без замедлителя (см. Реактор на быстрых нейтронах)
7. По конструкции
8. По способу генерации пара
— Реактор с внешним парогенератором (см. Водо-водяной реактор, ВВЭР)
— Кипящий реактор
9. Классификация МАГАТЭ
Международное агентство по атомной энергии использует следующую классификацию основных типов энергетических ядерных реакторов в соответствии с применяемыми в них материалами теплоносителя и замедлителя
— PWR (pressurized water reactor) — реактор с водой под давлением, в котором легкая вода является и теплоносителем и замедлителем (например ВВЭР);
— BWR (boiling water reactor) — кипящий реактор, в котором, в отличие от PWR, образование пара, подаваемого на турбины, происходит непосредственно в реакторе;
— FBR (fast breeder reactor) — реактор-размножитель на быстрых нейтронах, не требующий наличия замедлителя;
— GCR (gas-cooled reactor) — газоохлаждаемый реактор. В качестве замедлителя используется как правило графит;
— LWGR (light water graphite reactor) — графито-водный реактор, например РБМК;
— PHWR (pressurised heavy water reactor) — тяжеловодный реактор;
— HTGR (high-temperature gas-cooled) — высокотемпературный газоохлаждаемый реактор;
— HWGCR (heavy-water-moderated, gas-cooled reactor) — газоохлаждаемый реактор с тяжеловодным замедлителем;
— HWLWR (heavy-water-moderated, boiling light-water-cooled reactor) — кипящий реактор с замедлителем из тяжелой воды;
— PBMR (pebble bed modular reactor (англ.)) — модульный реактор с шаровыми твэлами;
— SGHWR (Steam-Generating Heavy-Water Reactor) — кипящий тяжеловодный реактор.
Наиболее распространёнными в мире являются водо-водяные (около 62 %) и кипящие (20 %) реакторы.