Ядра атома – новое горючее

Одна из важнейших характеристик горючего – количество энергии, выделяющейся при его сжигании. В этом отношении атомное горючее не имеет себе равных.

Один килограмм лучшего, самого калорийного топлива, нефти, при полном сжигании выделяет 11,6 киловатт‑часа энергии.

Один килограмм урана – 22 900 тысяч киловатт‑часов энергии!

Тепловая электростанция мощностью 600 тысяч киловатт сжигает в сутки 5 эшелонов каменного угля. Электростанция такой же мощности, работающая на атомном горючем, потребует в год около тонны урана.

Буквально несоизмеримые величины!

Так почему же не построены до сих пор повсеместно только атомные электростанции? Почему мы до сих пор возимся с добычей угля и нефти, строим громоздкие и дорогие гидроэлектростанции?

Может быть, атомное горючее, в первую очередь уран и торий, чрезвычайно редкие элементы? Ведь всего два десятка лет тому назад лишь в немногих лучших академических лабораториях можно было найти в коллекциях пробирку с сероватыми кусочками урана на дне, лишь немногие физики держали хоть раз в жизни непривычно тяжелые крупинки этого вещества на своей ладони.

Нет, уран не редкий элемент. Земная кора на 0,0005 процента состоит из урана. Примерно столько же в земной коре содержится свинца. А разве свинец можно считать редким металлом? Меньше в земной коре содержится и таких металлов, как висмут, серебро, золото, платина.

Мал да удал.

В полтора раза больше, чем урана, содержится в земной коре другого металла, способного служить ядерным горючим, – тория – 0,0008 процента.

Однако уран редко содержится в значительных количествах. Он обычно присутствует в рудах других элементов в качестве добавки. Даже при переработке богатых урановых руд из 100 тонн урановой руды выделяют всего 70 кг чистого металла, да и из этого металла лишь незначительная часть (всего около 500 г) составляет изотоп урана, называемый «уран‑235», который может быть сразу применен в качестве ядерного горючего.

Чрезвычайно сложна металлургия урана и тория. Руду урана подвергают измельчению, обогащению, многократным последовательным растворениям в разнообразных химических реактивах и только после этого осуществляют собственно металлургический процесс – восстановление металлического урана или получение его газообразного соединения – шестифтористого урана.

Все эти процессы чрезвычайно осложняются ядовитыми свойствами урана. Надо внимательно следить за тем, чтобы ни пыль, ни пары урана не попадали в окружающую атмосферу. Ядовиты и огнеопасны некоторые растворители урановых соединений, поэтому заводы, производящие уран, имеют сверхмощную противопожарную защиту. И все‑таки, когда получен слиток металлического урана, можно считать, что пройдена только половина пути превращения желтовато‑зеленых камней добытой в земле руды в горючее атомных электростанций.

Металлический уран состоит главным образом из двух изотопов – урана‑238 и урана‑235. В качестве ядерного горючего в первую очередь применяется уран‑235. Его и надо выделить из общей массы металлического урана.

Методы химии, применяемые для разделения вещества, бессильны помочь в этом случае. Нет такого растворителя, который растворил бы уран‑238 и позволил отделить в виде нерастворимого осадка уран‑235. Нет такого вещества, которое бы вступило в реакцию с ураном‑235 и осталось бы нейтральным по отношению к урану‑238. Оба изотопа урана, как и вообще всякие изотопы, являются, с точки зрения химии, неразделимыми близнецами.

Единственное отличие атома одного изотопа урана от атома другого изотопа в их массе, да и то эта разница только чуть‑чуть больше процента. Но эта разница – единственное, чем можно воспользоваться для разделения изотопов урана.

Так начинается цепная реакция.

Физики знают много способов разделения веществ, отличающихся по весу. Одним из устройств, осуществляющих такое разделение, является всем известный сепаратор. В его приемный бак наливают обычное молоко, а из выводного устройства вытекают отдельно густые желтые сливки и синяя обезжиренная сыворотка. Разделение было осуществлено внутри сепаратора центробежной силой, которая в завихренных струях молока отделила, отжала к периферии более тяжелую сыворотку и подняла над ней легкие частицы жира.

Но и этот и другие способы разделения применимы к газообразным, жидким, сыпучим телам. А металлический уран – твердое тело, и размолоть его в порошок, частицы которого были бы величиной всего в один атом, конечно, невозможно.

Поэтому‑то разделение изотопов урана производят, применяя не металлический уран, а его соединение со фтором – шестифтористый уран.

В обычных условиях это также твердое вещество. Однако оно испаряется при сравнительно невысокой температуре, и тогда его можно было бы направлять в центрифугу или систему центрифуг для разделения изотопов.

Однако в атомной промышленности обычно применяется другой способ разделения изотопов – метод газовой диффузии. Метод использования центрифуг, как показали расчеты, оказался бы слишком дорогим.

На фотографиях зарубежных газодиффузионных заводов видны огромные, занимающие целые гектары, плотно поставленные рядом друг с другом коробки – это диффузионные камеры. Они отделяются друг от друга мелкопористыми фильтрами, сквозь которые из одной камеры в другую диффундируют молекулы шестифтористого урана. При этом более легкие молекулы, содержащие уран‑235, диффундируют несколько быстрее молекул урана‑238. На этом и основана вся работа газодиффузионных установок.

Конечно, в связи с тем, что очень невелика разница их весов, невелика и разница в скорости диффузии их через мелкопористую перегородку. Поэтому процесс разделения приходится повторять несколько тысяч раз, прежде чем будет получен шестифтористый уран, в котором почти нет молекул урана‑238.

Этот процесс разделения изотопов требует расхода огромных количеств электроэнергии, тепла, воды. Недешево обходится современной технике разделение близнецов – изотопов урана!

Еще сложнее процессы получения других ядерных горючих – плутония и урана‑233. Первый получают из урана‑238 после специальной обработки его в атомных котлах; второй аналогичным способом получают из тория.

Вот поэтому‑то и обходится еще в настоящее время электроэнергия, вырабатываемая атомными электростанциями, дороже не только электроэнергии ГЭС, но и электроэнергии тепловых станций.

Так что же, атомная энергетика бесперспективна? Электроэнергия, выработанная атомной электростанцией, никогда не сможет конкурировать по дешевизне с электроэнергией от гидростанции?

Сможет, обязательно сможет!

Во‑первых, будут совершенствоваться и становиться все экономичнее способы производства атомного горючего.

Во‑вторых, будет происходить накопление атомного горючего за счет выработки его в атомных реакторах некоторых типов. Дело в том, что нередко «зола», выгребаемая из атомных котлов, содержит в себе даже больше атомного горючего, чем было в них сожжено. Чем больше мы сжигаем в атомных электростанциях горючего, тем больше его имеем. Это парадоксально, но выгодно.

Ученые рассчитали, что при рациональном расходовании атомного горючего на АЭС с применением вновь получающегося горючего на новых электростанциях уже через 30 лет можно было бы удовлетворить потребности в электроэнергии всего человечества.

И поэтому атомная энергетика развивается семимильными шагами. В 1954 году вступила в строй первая в мире атомная электростанция Академии наук СССР мощностью в 5 тысяч киловатт. Осенью 1958 года дала промышленный ток первая очередь крупнейшей в мире советской атомной электростанции, общая мощность которой будет составлять 600 тысяч киловатт. А в декабре 1957 года спущен на воду гигантский ледокол «Ленин». Мощность двигателей этого ледокола, работающего на атомном топливе, составляет 44 тысячи лошадиных сил.

Советский Союз идет впереди других стран по мирному использованию атомной энергии.

Вездесущий атом

Имеющихся на Земле запасов урана с избытком достаточно для того, чтобы полностью обеспечить потребность всех стран мира в энергии.

По прогнозам экономистов, в 2000 году на земном шаре будет выработано около 84 тысяч млрд. квт.‑ч. Для этого надо или сжечь 15 млрд. тонн угля, или 4000 тонн урана. Надо ли говорить, что уже в настоящее время производство урана далеко перевалило через эту цифру. Ведь если в 1956 году в капиталистических странах было получено примерно 13 тысяч тонн закись‑окиси урана, то уже в 1959 году эта цифра выросла в три раза – было выработано 39 тысяч тонн закись‑окиси.

Уран находится буквально везде. Еще в 1934 году советский ученый академик В. И. Вернадский писал, что уран «открывается всюду вокруг. Он рассеян не только в породах, но находится во всех минералах». При этом большая часть урана находится в рассеянном состоянии.

Тепло, выделяемое ураном при ядерном распаде, является одним из основных источников разогрева внутренних слоев нашей планеты. Более 42 процентов всего тепла, получаемого Землей в результате ядерного распада, дает уран, почти 45 процентов – торий, около 12 процентов – калий.

И тут выявилась удивительная вещь. Если бы все составляющие Землю породы до самого ее центра содержали то же количество радиоактивных элементов, что и породы, из которых сложена ее кора, количество тепла, выделяющегося при распаде, должно бы быть в 100 раз больше, чем есть в действительности. Земля имела бы совершенно другой климат, вряд ли была бы пригодна для жизни. По всей вероятности, она была бы раскаленным, расплавленным шаром, маленьким подобием Солнца.

Раз этого нет, значит внутренняя поверхность планеты не содержит в себе радиоактивных элементов. Ими, в том числе ураном, богата только земная кора.

Почему это произошло – пока загадка, над поисками ответа которой бьются сегодня ученые. Может быть, радиоактивные элементы были заброшены на Землю позже всех, при прохождении нашей планеты через какое‑либо пылевое облако, из которого и составились верхние ее слои?.. Или при взрыве Солнца, происшедшего в незапамятные времена, была облита наша планета содержащим уран и торий веществом?.. Или…

Впрочем, установить, когда именно возникла твердая кора нашей планеты, можно. И помогает в этом именно содержание в ней урана.

Мы говорили уже, что уран непрерывно распадается, а конечным продуктом этого распада является свинец. Если взять горную породу, содержащую уран, определить, сколько его осталось в, так сказать, натуральном виде и сколько превратилось в свинец, можно установить, когда именно началось это превращение в данной горной породе или, что одно и то же, когда она образовалась.

Проведенные исследования позволили установить, что земной коре не менее 3 и не более 5 млрд. лет.

Аналогичным способом определяют возраст земных пород, залежей полезных ископаемых, органических остатков и по распаду других радиоактивных элементов.