С той поры, как на нашем сайте появилась рубрика «Акцент», спокойные времена для авторов сайта, похоже, закончились. Команда у нас совсем миниатюрная: два автора и технический директор, на плечи которого взвалена работа еще и по оформлению наших статей-заметок.
Это, понятное дело, помимо того, что выпадает на долю технического директора на любом другом сайте: всякие там хостинги, работа с провайдером, возня с вечно норовящим взбрыкнуть «движком» и прочее, прочее, прочее. Мало того: писать мы норовим быстро, ошибки нам искать лень, потому наш технический директор зачастую становится еще и нашим корректором, последним барьером на пути «замученных очупяток». Вредное производство, прямо скажем.
Раньше-то мы думали, что вредное оно только для самого технического директора, поскольку отнимает прорву времени, сил и нервов. Но с появлением «Акцента» ситуация стала меняться… Наш технический директор реально тщательно вычитывает наши статьи и, вместо того, чтобы думать о всех этих пикселях с хостингами, падениях сайта и прочем, он взял, да и увлекся всем тем, что мы пишем. Мало того: судя по всему, ему эти статьи стали нравиться – заразился! И теперь время от времени задает вопросы, из-за которых авторы рвут последние волосы на голове: да как же на человечьем языке разъяснять всяческие шарады, которые господин технический директор вылавливает в новостном потоке. В общем – тяжела и неказиста жисть простого энергиста. Но не ответить на каверзные вопросы у нас никакой возможности нет – вот возьмет технический директор, да и «не заметит» опечатки и ошибки, или картинки по диагонали в статью навтыкает. Ужас, и пожалеть ведь некому…
Вот и недавно пришел очередной простой вопрос от технического директора.
Смотрите, вот какая-то непонятная в несколько строк: «Генеральный директор корпорации «Росатом» Сергей Кириенко сообщил, что в сентябре из Ирана в Россию доставлено 38 тонн тяжёлой воды», передаёт РИА Новости.
Об этом он заявил на пленарном заседании 60-й Генеральной конференции МАГАТЭ.
«Могу информировать уважаемых коллег, что 13 и 20 сентября двумя рейсами в Россию доставлено 38 тонн иранской тяжёлой воды», — заявил Кириенко.
Все, пять строк!.. И вопрос: «Можете расшифровать, что за тяжелая вода и зачем ее персы к нам привезли?»
Во-о-от… Пять строк информации, одна строка вопроса. Удастся ли уложиться меньше, чем в пять страниц ответа?.. Будем пробовать.
Что такое «тяжелая вода»? Да понятное дело – вода, которая тяжелее обычной, что тут такого-то! Почему она вдруг тяжелее и при этом все еще вода? Вспоминаем школьную химическую формулу воды. Н2О – «аш два о». 2 атома водорода, 1 атом кислорода. За счет чего вода вдруг «потяжелела», спрашивается? Явно в дело вмешался какой-то изотоп. Кандидат очевиден – изотоп водорода. Снова школьная программа: что из себя представляет самый легкий элемент таблицы Менделеева, водород? Прост он и незатейлив: вокруг единственного протона болтается по орбите единственный электрон. Изотопов – два: дейтерий и тритий. Дейтерий обозначают латинской буквой D и отличается он от Н тем, что в нем к протону в ядре умудряется «приклеиться» нейтрон. Тритий – это буква Т и уже два нейтрона, «приклеившихся» к протону.
Изотопы водорода, Фото: http://ovkcompany.ru/
Дейтерий открыли в 1932 году и достаточно быстро выяснили, что изотоп этот стабилен (не разваливается сам по себе), но чрезвычайно редок: в природном водороде его около 0,0115%. Соответственно, тяжелая вода имеет формулу D2O – «дэ два о». Все, несложный ведь вопрос, незамысловатый ответ. Игрушечка такая для физиков да химиков, любящих всякие диковинки – свойства поизучать, химические соединения попридумывать. Тритий, в отличие от дейтерия, не стабилен – период полураспада 12,32 года.
Вот только при чем тут сам глава Росатома и чем важна доставка этих самых 38 тонн тяжелой воды, спрашивается? Неужто делать персам и Кириенко нечего, кроме как затеями у МАГАТЭ время-то отнимать? В чем дело?
Да в сущем пустяке, в ерунде практически. Слышали ли вы когда-нибудь устойчивую идиому «термоядерная бомба»? Нам тоже доводилось. Просто «ядерная бомба» – это неконтролируемая цепная реакция деления ядер урана-235 или плутония-239. Разваливаются ядра этих атомов на разные куски, при этом освобождается «лишняя энергия», давая результаты, о которых до сих пор мы помним по Хиросиме и Нагасаки. А что такое «термоядерная бомба»? Там не распад ядер происходит, а их синтез, соединение. И «лишней энергии» при этом высвобождается многократно больше, взрыв – в десятки и сотни раз мощнее. Даже представлять этого не хочется – не дай бог, как говорится. На ночь глядя представлять не будем, а вот очередной детский вопрос зададим: а что с чем сливается-то в том термоядерном заряде? На простой вопрос – простой ответ: сливаются ядра дейтерия и трития. Начинка термоядерной бомбы – дейтерид лития – Li6D «литий шесть д», соединение изотопа лития с изотопом водорода. Теперь уже чуточку понятнее, при чем тут Кириенко с МАГАТЭ, не так ли?..
Термоядерный синтез, Фото: greensource.ru
Продолжаем погружаться в подробности. Как «работает» термоядерная бомба? Сначала происходит взрыв простецкой, небольшой такой атомной бомбы – чтобы поднять температуру, до уровня, обеспечивающего начало термоядерной реакции. Дейтерий стабилен, в заряд термоядерной бомбы его поместить не проблема. А вот откуда берется тритий-то? Как термоядерные заряды умудряются хранить десятки лет, если уже через пару лет половина трития распадается? Для получения трития как раз и нужен дейтерид лития. Взрыв атомной бомбы – это не только температура, но и огромный поток нейтронов, под действием которых этот самый дейтерид лития распадается на гелий и необходимый для синтеза тритий. Тритий, таким образом, не хранят – он синтезируется в боеголовке в момент атомного взрыва. А вот хранить дейтерий – приходится, но хранят его не в чистом виде, а в запасах той самой – тяжелой воды.
Итого: передав России свои запасы тяжелой воды, Иран, выполняя условия сделки с МАГАТЭ и мировым сообществом, на деле отказался от перспективы создания собственного термоядерного оружия.
Казалось бы, на этом «перевод» микрозаметки от РИА Новости можно считать законченным? Оказалось, что только казалось – тяжелая вода интересна не только тем, что позволяет хранить запасы дейтерия, но и сама по себе. Вот только извините, но придется «пуститься во все тяжкие» – подробно рассмотреть, что же происходит в атомном реакторе. Честное геоэнергетическое – и в этом случае мы обойдемся без формул и графиков!
Сызнова вспоминаем школьную программу физики, уроки, на которых нам рассказывали про цепную ядерную реакцию. Помните? Нейтрон ударил в атом, тот испустил сразу два нейтрона, которые ударили уже по двум атомам, вылетело уже четыре нейтрона…» Красиво, но совсем уж упрощенно, причем эти ошибки видны не из сложных вычислений на основании заумных формул, а на простой логике. Ядро атома – это комплект протонов и нейтронов, удерживаемых ядерными силами. Вот на такую цель и летит тот самый нейтрон. Что с ним может произойти при столкновении? Очевидно, что есть целых три варианта.
Физики вариант 1 называют реакцией упругого рассеивания, вариант 2 – реакцией захвата, вариант 3 – реакцией деления. Как видите, ничего алогичного, все вполне стройно. А дальше братья-физики откровенно начудили: вместо того, чтобы использовать слово «вероятность», которое тут просто напрашивается, они ввели термин «эффективное сечение». Эффективное сечение рассеивания, эффективное сечение поглощения или захвата, эффективное сечение деления… Звучит красиво, но уже требует определенной расшифровки. И вот кому от этого стало легче, спрашивается?
Три варианта, а нам-то какой нужен? Упругое рассеивание? Да ну его – не в сквош играем. Захват? Праздник Менделеева – это к химикам. Нам деление давай, причем такое, чтобы количество нейтронов сохранялось постоянным (если после деления их станет больше, чем до него, цепную реакцию уже не удержать под контролем, через короткое время состоится оглушительный взрыв, на чем эксперимент придется считать законченным, поскольку закончатся экспериментаторы).
Легче всего делятся ядра урана-235, что опять же можно понять без формул. Ядро стабильного элемента не разваливается, хотя протоны, входящие в его состав, имеют одинаковый (положительный) электрический заряд. Одинаковые заряды обязаны отталкиваться друг от друга, но этого не происходит. Почему, за счет чего, что мешает такому разлету? На совсем маленьких расстояниях работает сила взаимодействия, которую физики совершенно честно назвали «сильным» – оно ведь сильнее электрического отталкивания, как его еще называть-то? Сильное взаимодействие обеспечивает стабильность ядер всех химических элементов, в том числе и тех из которых состоим мы, человеки.
Чем ближе друг к другу протоны, тем больше сильное взаимодействие кладет на лопатки электромагнитное. Но уран – самый тяжелый из существующих в природе химических элементов, его ядро состоит из целой прорвы протонов, внешние слои которых уже весьма далеки друг от друга. Такое ядро напоминает каплю воды или росы, висящей на кончике листа: капля стабильна, но достаточно очень слабого толчка, чтобы она превратилась в небольшую струйку, лужицу. Ткнул травинкой или чуть тряхнул лист – и капли уже нет. Шлепнул по такому ядру-капле нейтрон – и оно разлетелось брызгами. Или то же самое суконным языком ядерной физики: «эффективное сечение реакции деления ядра урана-235 выше суммы эффективных сечений упругого рассеивания и захвата». И второй основной фактор – количество нейтронов второго и следующих поколений, которые будут (или не будут) вызывать последующие деления, не должно уменьшаться, иначе реакция не будет цепной, а попросту заглохнет. Но и увеличиваться это количество тоже не должно – повторимся, но важно понимать, что при увеличении количества нейтронов вместо управляемой реакции мы получим ядерный взрыв.
Сложновато, но пока все в пределах самой обычной логики. Вопрос прост: как добиться того, чтобы в нашем реакторе как можно чаще случались реакции деления и как можно реже – реакции рассеивания и поглощения? Эксперименты, которые без устали проводили физики, дали следующий результат: чем менее энергичны летящие в цель – ядра урана-235 – нейтроны, тем выше вероятность реакции деления. Оптимальный вариант – когда скорость нейтронов равна скорости теплового колебания атомов в кристаллической решетке. Вот только те же эксперименты показали и проблему: при этих самых реакциях деления скорость «вышибаемых» нейтронов слишком высока – быстрые они, а это увеличивает вероятности упругих рассеиваний и поглощений. Безобразие!
Принцип работы ядерного реактора, Фото: krugosvet.ru
Что делать, где выход? Как говорят в Эстонии: «Если ты слишком быстрый, надо тебя затормозить!» Нам нужен замедлитель. Как замедлить летящий нейтрон? Выставить на его пути легкую и крепкую «мишень»: ядро атома, которую нейтрон пнет, не вызвав при этом никаких ядерных реакций. Пнул мишень – она улетела, но при этом нейтрон потерял часть своей энергии, стал лететь чуточку медленнее. Еще один удар – еще меньше скорость, еще удар – еще медленнее. И к тому времени, когда нейтрон добрался до настоящей цели – ядра урана-235, он летит с нужной нам скоростью. При этом желательно, чтобы нейтрон не был захвачен во время соударений с ядрами замедлителя – потери драгоценных нейтронов нам ни к чему.
В водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР) замедлителем является теплоноситель – сама вода первого контура. Но обычная вода частенько поглощает нейтроны – собственно, по этой причине мы и вынуждены обогащать уран по содержанию урана-235. А вот тяжелая вода нейтроны не поглощает от слова «никогда». Рассказывать про то, почему это так, а не иначе – еще 100500 слов написать, самые любопытные могут поискать самостоятельно, а в этой заметке мы просто зафиксируем как факт: тяжелая вода является идеальным замедлителем. Она настолько хорошо это делает, что существует целый класс «реакторов на тяжелой воде», основная особенность которых – то, что для них уран вообще не обогащают. Вот только получение тяжелой воды – дорогостоящий процесс, да и ОЯТ в них получается в разы более радиоактивным, чем в привычных нам ВВЭР.
Очень надеемся, что ничего невероятно сложного пока не было. Тяжелую воду можно использовать в энергетических реакторах, как это делали и делают в Канаде на реакторах CADMU. Так за каким таким ангелом Ирану в условия отмены санкций вбили вывоз тяжелой воды, спрашивается? Пусть бы себе вырабатывали электроэнергию, чего пристали-то?
Давайте снова припомним ядерные взрывы в Хиросиме и в Нагасаки. Над Хиросимой было взорвано 20 килограммов урана-235, над Нагасаки – 6 килограммов плутония-239. Разрушения и количество жертв было практически одинаковым, то есть плутоний-239 как взрывчатка в три с лишним раза эффективнее урана-235, плутониевая бомба в три раза опаснее и разрушительнее. Все, это последняя техническая деталь – короткое описание того, как нарабатывается плутоний-239. Для бомбы нужен именно плутоний-239, изотопы с номерами 238, 240 и 241 только вредят важному делу создания качественного едрен-батона. Нам уже доводилось пристально рассматривать ОЯТ в случае ВВЭР – если помните, там получается некий коктейль из нескольких изотопов плутония. Для мирного атома это хорошо, для военных целей – безобразие сплошное, да и только.
В годы холодной войны на диком Западе были созданы Weapons-Grade Production Reactor, на что СССР ответил созданием «реакторов – наработчиков оружейного плутония» (РНОП). В обоих случаях получали плутоний-239 с чистотой 94% – то, что надо для военных целей. Как это работало? Напомним, что сейчас остановлены все до одного WGPR и РНОП.
Используется природный или низкообогащенный уран. Почему? Нужно, чтобы уран-238 захватывал нейтрон, превращаясь в нептуний-239, который, собственно, после двух ьета-распадов и превращается в плутоний-239. Если присутствует много урана-235 – он и будет распадаться, уменьшая количество нейтронов для реакций урана-238. Это не наш метод! Мало того: уран-235 в результате всяких там дополнительны реакций норовит дать дополнительное количество ядер плутония-238, а это уже двойное безобразие.
Работают в режиме коротких облучений топлива: через 15-20 дней после начала облучения из урана-238 получают максимально возможное количество нептуния-239. После этого облучение нужно оборвать, блочки с непутнием-239 вытащить из реактора и на те же 15-20 дней поместить в бассейн выдержки, чтобы дать нептунию время, необходимое на тот самый двойной бета-распад, превращающий его в плутоний-239. Заодно эта выдержка уменьшает изначально высокую радиоактивность этих самых блочков – с ними ведь потом как-то работать надо, а не дуба давать раньше срока.
Собственно говоря, вы уже все и услышали. ВВЭР не подходит принципиально: в них топливный цикл исчисляется месяцами, а теперь уже и годами, эту махину через 2-3 недели остановить невозможно. Уран – природный или с минимальным обогащением. Вопрос «Что может быть замедлителем?» становится, согласитесь, просто таки риторическим – разумеется, только и исключительно тяжелая вода. Только она замедлит нейтроны, только она позволяет перезаряжать реактор на ходу.
За годы холодной войны в США было создано 14 РНОП, в СССР – 13. Но те времена прошли, уже все остановлено. А что Иран? В 2004 году персы начали работу по сооружению тяжеловодного реактора IR-40. В данном случае цифра 40 – это тепловая мощность, а правила расчета количества плутония-239, которое можно наработать на таком агрегате просто и незатейливо: делим на 3 – это и будет масса плутония за год работы. 11 кило – две бомбы образца Нагасаки.
По соглашению об условиях снятия санкций в Иране были закрыты все заводы по выработке тяжелой воды. 38 тонн, о которых сообщил Кириенко – последние ее запасы, которые потенциально могли обеспечить Ирану возможность создания собственной плутониевой ядерной бомбы. ИР-40 будет конверсирован в исследовательский реактор, на котором можно наработать не более 1 кг плутония-239 за год и поставлен под жесткий контроль МАГАТЭ.
Вот теперь можно подвести окончательную черту: передачей в распоряжение Росатома Иран не на словах, а на деле выполнил все требования сделки – отказался от потенциальной возможности создания ядерного и термоядерного оружия.
На этом простой ответ на «простой вопрос» предлагаем считать законченным. Большое спасибо, уважаемый технический директор сайта «Геоэнергетика» за то, что нам было не скучно!
Фото: http://foodandhealth.ru/
© 2009 Технополис завтра
Перепечатка материалов приветствуется, при этом гиперссылка на статью или на главную страницу сайта "Технополис завтра" обязательна. Если же Ваши правила строже этих, пожалуйста, пользуйтесь при перепечатке Вашими же правилами.
