Атомный аврал

Грабовский Михаил Павлович

Уран-235 под действием нейтронов делится на два произвольных осколка с выделением значительной энергии, излучая при каждом акте деления два или три новых нейтрона. Поэтому нарастание числа делений может при определенных условиях иметь лавинообразный характер цепной реакции.

Другой же изотоп, уран-238, при захвате нейтрона не делится, а превращается в новый, не существующий в обычных условиях на Земле химический элемент — плутоний, с атомным весом 239.

Как предсказывали физики и как показал американский опыт, плутоний обладает склонностью к делению под действием нейтронов ещё в большей степени, чем уран-235.

В

чистом природном уране цепная реакция недостижима и невозможна. Вероятность деления урана-235 можно значительно повысить путем эффективного и быстрого замедления рождающихся быстрых нейтронов. Этого можно достигнуть, смешав природный уран с некоторыми легкими химическими элементами, например, с углеродом.

Как показывали теоретические расчеты, в сборке природного урана и графита (в качестве замедлителя нейтронов) цепная реакция достижима при некоторых критических размерах конструкции. При оптимальной, с физической точки зрения, форме конструкции — шаре или приплюснутом цилиндре — сборка может достичь критичности при радиусе примерно 10 метров.

Иными словами, центральной частью уранового котла должен быть громоздкий цилиндр высотой и диаметром с трехэтажный дом, сложенный из графитовых кирпичей. Внутри него должны быть распределены детали или фрагменты из природного урана.

Для заданной мощности котла требовалось примерно 100 т урана и 1000 т графита.

При достижении в подобной сборке коэффициента размножения нейтронов больше единицы появится возможность с помощью регулирующих стержней из поглощающего материала поддерживать цепную реакцию на определенном уровне или глушить котел, останавливая процесс.

Вся сложность такого уран-графитового котла заключается в том, что выделяемая при делении ядер энергия неминуемо вызовет саморазогрев урана. Выделяемое тепло необходимо отводить. Промышленный реактор должен быть охлаждаемой конструкцией!

В первые январские недели Доллежалю предстояло совместно с физиками из Курчатовской лаборатории принять несколько принципиально важных решений, ориентируясь в некоторых случаях на отчет Смита.

Чем охлаждать: газом или водой?

Американские физики сначала отдавали предпочтение газу. Именно с такой рекомендацией проектирование промышленных котлов было передано фирме «Дюпон».

Из отчета Смита:

«Когда на сцену выступила фирма Дюпон, она сначала приняла предложение о сооружении установки с гелиевым охлаждением; после дальнейшего изучения вопроса фирма решила отдать преимущество водяному охлаждению… Количество воды, необходимой для охлаждения, зависит от максимальной температуры, до которой вода может быть безопасно нагрета, и от максимальной температуры воды, забираемой из реки Колумбия. Воды требовалось столько, сколько нужно для водоснабжения довольно большого города…»

Доллежаль тоже склонялся к выбору воды, поскольку такое решение упрощало конструкцию котла.

Принципиально для охлаждения любого источника тепла могут быть выбраны два метода: прямоточный и циркуляционный.

В первом случае холодная вода из какого-либо источника (реки или озера) прокачивается под давлением через котел, нагревается и потом сбрасывается в тот же водоем.

Во втором случае вода должна циркулировать, охлаждая реактор, по замкнутому контуру. Внутри котла она будет разогреваться,

а вне котла, в теплообменных аппаратах, — охлаждаться. И затем мощными насосами подаваться снова на вход реактора. В этом случае конструкция всей системы охлаждения значительно усложнится, что потребует и больших материальных затрат, и, что не менее важно, увеличения времени на изготовление дополнительного оборудования.

Американцы тоже спешили и для хэнфордских котлов использовали прямоточное водяное охлаждение. Доллежаль понимал, что слив охлаждающей воды, прошедшей через реактор, обратно в уральское озеро Кызыл-Таш, планируемое в качестве источника, неминуемо приведет в конечном итоге к радиоактивному загрязнению и омертвлению озера.

Николаю Антоновичу было болезненно жалко лишать жизни прозрачное голубое озеро. Жалко обитающих в нем и плещущихся на солнце рыб, порхающих над его гладкой поверхностью птиц.

Ну а что делать? Как быть, если сжатые планируемые сроки строительства подавляют нравственные сомнения и колебания?

Хорошо еще, что ответственность за подобное безрассудство можно разделить с членами Научно-технического совета.

Присутствовавшие на заседании совета тоже понимали трагическую судьбу озера. Некоторые знали ещё больше. Из озера вытекает неприметная на карте тихая речка со старинным домашним названием Теча. А на берегах её сотни лет назад прижились кургузые бедные деревушки. Вскоре после пуска котла вода в реке, поливные огороды, домашний скот и сами старожилы будут неминуемо заражены радиоактивными осколками деления. Кто-то заболеет лучевой болезнью; кто-то, вероятно, погибнет. Все члены Совета и приглашенные конструкторы во главе с Доллежалем молчали об этом. Все в душе оправдывали свое молчание тем, что принимаемое решение — абсолютно вынужденное. У разоренной страны не было тогда ни времени, ни средств на более сложные технологические схемы.

Не менее трудным для Доллежаля был вопрос о конфигурации уран-графитовой решетки. Для лабораторного котла Ф-1 Курчатов предполагал использовать кубическую решетку с точечным расположением небольших урановых блочков урана в массе графитовых кирпичей. Для промышленного реактора такая конструкция сборки была неприемлема, поскольку не позволяла осуществить охлаждение водяным потоком разбросанных в пространстве урановых блочков.

В этом случае было бы невозможно также решить проблему периодической выгрузки отработанных блочков урана и загрузки в котел свежей порции. Пришлось бы разбирать графитовую кладку, что недопустимо по ядерной безопасности.

Из отчета Смита:

«Оба эти затруднения можно устранить, применив вместо точечной решетки стержневую, и концентрировать, следовательно, уран вдоль линий, проходящих через замедлитель, а не распределять его в отдельных точках. Совершенно ясно, что стержневое расположение удовлетворительно с механической и инженерной точек зрения».

Вынужденный стержневой характер промышленной урановой сборки был очевиден. Этот факт обуславливал «канальную» конструкцию реактора. Графитовую кирпичную кладку должны насквозь пронизывать сотни цилиндрических каналов с находящимися в них урановыми стержнями. При такой конструкции появляется возможность охлаждать саморазогревающиеся урановые стержни сквозным потоком воды, пропускаемой через каждый канал.