В чем же дело? Оказывается, что, если в ядро урана-238 попадает очень медленный нейтрон, он поглотится этим ядром. Образуется новый изотоп — уран-239. Изотоп этот нестойкий, из ядра выбрасывается электрон, отчего один из нейтронов становится протоном. Заряд ядра увеличивается на единицу, и появляется новый элемент, который назван «нептунием», с атомным весом 239 и зарядом 93 (Νρ-239), — это 93-й элемент таблицы Менделеева. Однако и этот элемент нестоек, — вскоре из ядра выбрасывается еще один электрон и заряд ядра возрастает до 94. Теперь, при том же атомном весе 239, появляется 94-й элемент, называемый «плутонием» (Рu-239). Этот элемент тоже радиоактивен и сравнительно стоек. Его время полураспада— двадцать четыре тысячи лет. Плутоний, так же как и уран-235, делится медленными нейтронами и потому может служить ядерным горючим.
Вот и выходит: есть способ организовать «горение» в атомном котле так, что взамен одного «сгорающего» топлива там будет образовываться другое топливо. Это новое топливо можно «сжигать» в этом же котле. Однако плутония можно получить больше, чем затрачено урана-235 — и тогда появляется возможность «размножать» топливо: отбирать из котла излишек и складывать на хранение, делать запас. Так создается еще один вид «атомного горючего».
Но наука обнаружила возможность таким же путем получить третий вид атомного горючего: уран-233. Под номером 90 в таблице Менделеева стоит металл торий (Th-232). Его запасы на земле в четыре раза превышают запасы урана. Если торий поместить в атомный котел, то, так же как U-238 превращается в Рu-239, так Th-232 превращается в U-233. А уран с атомным весом 233 обладает так же, как и уран-235, свойством делиться медленными нейтронами. Теперь становится ясно, что, при правильном расчете, атомный котел может работать с двойной пользой: и выделять нужную нам энергию и запасать новое топливо. Надо только обеспечить такую реакцию, при которой было бы достаточно свободных нейтронов.
Посмотрите на путь нейтронов в атомном котле.
Пути нейтронов в атомном котле.
Разделилось ядро. Один нейтрон попадает в ядро U-235 и способствует развитию цепной реакции. Другой нейтрон попадает в ядро U-238 и образует ядро плутония, а третий нейтрон вылетел. Вот вылетающих нейтронов должно быть как можно меньше.
Очень важное значение имеет замедлитель. Ведь почему в природных залежах урана не образуется цепной реакции? Да как раз потому, что уран в чистом виде в природе не содержится.
Встречается он только в виде соединений, а наличие посторонних ядер приводит к быстрому поглощению всех нейтронов. Цепная реакция оказывается невозможной.
Замедлитель в котле, рассчитанный определенным образом, лишь выполняет задачу создания медленных нейтронов. Котел, который был описан выше, имеет в качестве замедлителя графит — такой же, как в карандашах. Но могут быть и другие замедлители, например тяжелая вода (и даже обычная вода).
Что же такое атомный двигатель?
Итак, нам известно, как можно с помощью атомного котла получить тепло. Теперь познакомимся с тем, как это тепло можно превратить в механическую энергию. Посмотрите на схему установки с атомным двигателем. (Рисунок на стр. 192.)
Главную часть установки представляет собой уже знакомый нам атомный котел. Обратим внимание теперь не на внутреннее устройство этого котла, а на его связь с другими устройствами установки. От котла отходят две трубы. По нижней трубе с помощью специального насоса подается охлаждающая жидкость или газ. Проходя через котел, жидкость отбирает тепло и по верхней трубе попадает в другое очень важное устройство — теплообменник. Здесь горячая жидкость, проходя по змеевикам, отдает свое тепло воде, которая циркулирует вокруг змеевиков. Из змеевиков охладившаяся жидкость вновь попадает в насос и далее снова нагнетается в котел.
Вода же, которой охладитель котла передал тепло в теплообменнике, нагревается до парообразования. Таким образом, теплообменник, в сущности, является паровым котлом, где вместо горячих топочных газов по трубам циркулирует жидкость (или газ), несущая тепло от атомного котла.
Остальная часть схемы ничем не отличается от схемы, по которой работает обычная паровая турбина: пар из теплообменника поступает в турбину, отдает свою энергию, заставляет турбину вращаться и приводить в движение электрогенератор. Отработавший пар поступает в конденсатор, где он конденсируется, превращаясь в воду, а вода насосом вновь подается в теплообменник. Быть может, у вас возникает вопрос: зачем нужен теплообменник, нельзя ли заставить турбину работать паром, образующимся из той воды, которая подается непосредственно в атомный котел? Но не следует забывать двух обстоятельств: во-первых, на охлаждение атомного котла можно подавать не только воду, но и газ и жидкий металл — и это оказывается целесообразным, так как позволяет отводить из котла теплоноситель при более высокой температуре и более низких давлениях; а во-вторых, что особенно важно, «атомная вода» в реакторе обогащается радиоактивными частичками, и ее ни в коем случае нельзя пускать в свободное путешествие по трубам установки. Обратите внимание, что на рисунке не только атомный котел, но и теплообменник, и насос, и трубы, по которым циркулирует «атомная жидкость», заключены в бетонную защитную коробку. К ним доступ человеку закрыт, потому что здоровье человека не должно подвергаться испытанию радиоактивностью. Зато вода внешней циркуляции, не соприкасаясь с атомным котлом и не смешиваясь с «атомной водой», может свободно проходить по всем наружным трубам, поступать в турбину.