Что такое ядерный конструктор

Обновлено: 13.05.2024

Мир снова заговорил об атомном оружии и военных ядерных технологиях. Люди опять начинают задумываться, сколько времени летит до нас баллистическая ракета, куда бежать в случае тревоги, как устроены и где расположены бомбоубежища, какие поражающие факторы есть у атомных и термоядерных зарядов, есть ли у нас что-то, чем можно ответить и, в конце концов, можно ли всего этого избежать. «TechInsider» попытается ответить на некоторые из этих вопросов.

Проблема досягаемости территории США для СССР, окруженного со всех сторон американскими базами, возникла сразу после окончания Второй мировой войны. Американские и английские стратегические бомбардировщики с ядерным оружием размещались вокруг не для мифической защиты от международных террористов, а конкретно для нападения на Советский Союз. Достичь же территории США с советских аэродромов классические советские бомбардировщики не могли: для этого требовалась дальность не менее 16 000 км. Для поражения же удаленных целей на территории США и свободного выбора трассы полета для обхода районов ПВО требовалась дальность в 25 000 км. Обеспечить ее на сверхзвуковом режиме могли только самолеты с ядерными силовыми установками.

Турбореактивный. Атомный

Сегодня подобные проекты кажутся невероятными, а в начале 1950-х задача была не сложнее, чем размещение реакторов на подводных лодках: и то и другое давало практически неограниченный радиус действия. Самолеты было поручено конструировать КБ Туполева и Мясищева, а «специальные двигатели» – КБ Архипа Люльки.

Турбореактивный двигатель с атомным реактором (ТРДА) по конструкции очень сильно напоминает обычный турбореактивный двигатель (ТРД). Только если в ТРД тяга создается расширяющимися при сгорании керосина горячими газами, то в ТРДА воздух нагревается, проходя через реактор. Активная зона авиационного атомного реактора на тепловых нейтронах набиралась из керамических тепловыделяющих элементов, в которых имелись продольные шестигранные каналы для прохода нагреваемого воздуха. Расчетная тяга разрабатываемого двигателя должна была составить 22,5 т. Рассматривалось два варианта компоновки ТРДА – «коромысло», при котором вал компрессора располагался вне реактора, и «соосный», где вал проходил по оси реактора. В первом случае вал работал в щадящем режиме, во втором требовались специальные высокопрочные материалы. Но соосный вариант обеспечивал меньшие размеры двигателя. Поэтому одновременно прорабатывались варианты с обеими двигательными установками.

Главным недостатком таких двигателей так называемой открытой схемы, когда атмосферный воздух проходил напрямую через реактор, было сильное радиационное заражение отработанного воздуха, что, например, исключало возможность применения обычной кабины экипажа. Он должен был располагаться в герметичной многослойной 60-тонной (!) свинцовой капсуле и управлять машиной посредством телевизионных и радиолокационных экранов. Расчетная масса такого самолета должна была превысить 250 т. Появилась логичная идея сделать бомбардировщик в беспилотном варианте – в виде своеобразной гигантской крылатой ракеты. Однако в ВВС не поддержали проект: в 1950-х годах автоматические системы управления не могли обеспечить маневренность для преодоления системы ПВО США.

Космический буксир

За прошедшие 70 лет мало что изменилось: мы даже еще плотнее окружены американскими базами, досягаемость территории США все еще является проблемой, разве что мы научились делать прекрасные системы автономного управления – посадка «Бурана» тому подтверждение. И как в пятидесятые, никакой альтернативы для длительного межконтинентального полета в атмосфере, кроме ядерного двигателя, нет. А тема эта не просто секретная, а суперсекретная. Тем не менее что-то мы знаем, а о чем-то можно догадаться.

Последние открытые данные поступали из незавершенного проекта ядерной энергодвигательной установки для «космического буксира». Занимался космическим реактором Институт имени Келдыша, в котором до недавнего времени довольно охотно делились информацией об этом проекте. Но несколько лет назад все общение с журналистами на эту тему представители института прекратили – прямой признак, что работы, которые раньше велись для «мирного космоса», переросли в немирные. Но кое-что удалось узнать ранее.

Например, что в реакторе для ядерного реактивного двигателя (ЯРД) использовалось уникальное топливо, состоявшее из карбидов – соединений урана, вольфрама и ниобия с углеродом. Это позволило далеко опередить по допустимым температурам классический оксид урана, который плавится примерно при 2500 градусах. Такое топливо неплохо работало в водородной среде, в которую, правда, приходилось добавлять гептан для подавления химических реакций карбидов с водородом. Но в окислительной среде, какой является раскаленный до пары тысяч градусов воздух (а наша ядерная крылатая ракета летит в атмосфере), карбиды работать не смогут: углерод будет окисляться кислородом, а оставшиеся металлы расплавятся и улетят с потоком теплоносителя. Подольское НПО «Луч», производившее эти ТВЭЛы, научилось покрывать топливные стержни металлическим ниобием, что расширило список различных сред, в которых это топливо устойчиво, но при тех температурах, которые нужны в ЯРД, ниобий реагирует с кислородом, образуя оксид, и тоже не может защитить топливо. Может быть, сплав тантала с гафнием мог бы быть достаточно стойким в этих условиях, но гафний сильно поглощает нейтроны, что затрудняет конструирование реактора.

Следовательно, напрямую ЯРД в двигатель для полета в атмосфере не конвертируется. Хотя многие идеи заимствовать можно, и они являются общими для разных малогабаритных и космических реакторов. Например, органы управления реактором в виде поворотных барабанов, врезанных в боковой отражатель нейтронов из бериллия. Примерно такая схема применялась и в советских космических ядерных энергетических установках «Бук» и «Топаз», и в некоторых американских реакторах, тоже предназначенных для использования вне Земли. А топливо, скорее всего, придется применять оксидное, как в большинстве реакторов по всему миру. Во всяком случае, пока завеса секретности не опустилась на «космический буксир», келдышевцы планировали использовать в этой ЯЭДУ именно оксидное топливо.

Быстрые и медленные нейтроны

Но почему-то неспециалисты дружно решили, что основой двигателя крылатой ракеты должен стать реактор на быстрых нейтронах. Объяснение простое: ради компактности устройства в нем нужно применять ядерное топливо высокого обогащения, а тогда замедлитель оказывается не нужен, ведь он увеличивает сечение деления у урана-235, мало влияя на сечение захвата ураном-238. Кроме того, медленные нейтроны имеют ту же температуру, что и замедлитель, а значит, их энергия растет вместе с температурой в реакторе, уменьшая их преимущества. Действительно, «Бук» – самый массовый космический реактор – работал на быстрых нейтронах, а его наследник «Топаз» – на промежуточных. Однако реактор на тепловых нейтронах может быть не менее компактным: замедлитель из гидрида циркония позволяет создать реактор с диаметром активной зоны меньше полуметра, что и было реализовано в советском ЯРД. А для снижения температуры замедлитель должен охлаждаться отдельным потоком теплоносителя, тогда можно реализовать все преимущества медленных нейтронов. Кроме того, в реакторе на тепловых нейтронах можно использовать весьма экзотический изотоп – америций-242м.

Несмотря на то что сейчас производство этого изотопа не налажено, организовать его гораздо проще, чем производство полумифического калифорния – в отработанном ядерном топливе америций-241 накапливается сам собой, и его можно выделять достаточно простыми химическими реакциями (и его выделяют, так как он используется, например, в некоторых детекторах дыма). Если из оксида америция-241 спрессовать таблетки и загрузить их в реактор на быстрых нейтронах, тот же БН-800, то можно быстро накопить достаточное количество америция-242м. Буква в конце названия означает, что это ядерный изомер, находящийся в возбужденном состоянии. Дело в том, что у обычного америция-242, чьи ядра находятся в наинизшем энергетическом состоянии, период полураспада всего 16 ч, а у ядра 242 м – целых 140 лет. А зачем он нужен? С замедлителем из гидрида циркония он имеет критическую массу меньше 50 г! Соответственно, реактор на нем будет иметь диаметр (без отражателя) порядка 10 см. Такой реактор, правда, с водяным замедлителем, предлагалось использовать в медицине, для нейтронно-захватной терапии. А вот чего точно не будет в реакторе для крылатой ракеты, так это торцевых отражателей нейтронов. Для них просто не остается места: с одной стороны должен быть воздухозаборник, с другой – сопло.

Реконструкция

Несмотря на секретность, примерный внешний облик двигателя представить можно. Впрочем, он не изменился с 60-х годов прошлого века, когда случилась первая волна разработки ядерных самолетов – все схемы были ясны уже тогда. Они разделяются на два принципиально различных класса – с прямым нагревом воздуха в реакторе и с косвенным, когда между воздухом и реактором есть промежуточный теплоноситель и теплообменник. Вторая схема гораздо чище, так как продукты деления не попадают в воздух, но для одноразовых беспилотных аппаратов годится и первая.

Во время первых экспериментов с ядерными самолетами NB-36 и Ту-95ЛЛ воздушный винт еще не сдал своих позиций, но сейчас был бы явным анахронизмом, ограничивающим скорость дозвуковым уровнем. Уже через пять лет все проектируемые атомолеты стали чисто реактивными.

На видео в президентском послании была показана ракета наземного базирования, стартующая с помощью обычного твердотопливного ракетного двигателя, что логично: даже если наш ядерный двигатель не выбрасывает осколки деления прямо в воздух, то гамма-радиацию от работающего реактора полностью заэкранировать невозможно, слишком тяжелой получится защита. Значит, реактор надо запускать на большой высоте – хотя бы в паре километров. Тогда воздух сам будет поглощать радиацию. А если летательный аппарат уже на высоте и разогнан до сверхзвуковой скорости, правильнее строить маршевую ступень с прямоточным двигателем. Примерно так работала сконструированная под руководством С. А. Лавочкина крылатая ракета «Буря», конкурировавшая когда-то с Р-7 за право зваться защитницей наших рубежей. Тогда крылатая ракета проиграла: ПВО совершенствовалось на глазах, а ПРО существовало только на бумаге, да и в реализуемости перехвата баллистической ракеты тогда сомневались многие.

Сейчас ситуация изменилась: ПВО и ПРО превратились в единый комплекс средств обнаружения и перехвата, и обмануть его можно лишь одним способом – маневрированием. Для баллистических ракет это тоже возможный способ, но очень энергозатратный, ведь ракета все свое топливо сжигает сразу после старта, и маневрирование в атмосфере возможно лишь за счет уменьшения дальности.

Вот тут-то ядерный двигатель и получил второй шанс. Конечно, у реактора есть ресурс, и, чем жестче требования к реактору, тем этот ресурс меньше. Но даже у «Бука» ресурс превышал несколько месяцев непрерывной работы, а крылатой ракете нужна максимум пара суток, чтобы обогнуть земной шар по максимально удаленному от пусковых установок противоракет маршруту. Ну и, поскольку это явно оружие Судного дня, экономические требования отступают на второй план по сравнению даже с «космическим буксиром». А значит, топливные стержни покрывать можно хоть иридием, хоть золотом.

А был ли мальчик?

И все же возможно ли это? Ведь нам пообещали, что габариты ракеты с атомным реактором не превысят габаритов обычной крылатой ракеты большой дальности – Х-101 или того же «Калибра». Несложно посчитать, что одно это условие убивает на корню возможность использования теплообменников. Хотя теплообменник «газ – газ» на такие тепловые потоки, в принципе, реализуем, что показывает проект космического самолета с использованием атмосферного кислорода SABRE, в диаметр 533 мм он не впишется никак. Значит, нагрев может быть только непосредственный, получается, и выхлоп будет сильно радиоактивный. Следовательно, вероятность того, что никаких турбин и компрессоров в этом двигателе не будет, близка к единице. А прямоточный двигатель навязывает скорость полета в диапазоне 3–3,5 М. Примерно как у самого быстрого самолета SR-71A или крылатой ракеты «Буря». Но если «Буря» шла к цели на высоте 15–18 км и перед целью делала «горку» на 35 км, выполняя противозенитный маневр, то нынешняя ракета, видимо, также будет идти к цели на высоте около 20 км, чтобы не заразить радиацией собственную территорию (ведь даже после обмена ударами придется как-то восстанавливать обычную жизнь), но перед целью, вероятно, должна будет снизиться и прорывать ПВО на предельно малой высоте, огибая рельеф. Поскольку летчиков на ней не будет, это можно делать с ускорениями до 20 g или больше.

Сегодня мало кто задумывается, но история атомной энергетики началась с устройства, которое называется Чикагская поленница , представляющую собой первый в мире атомный реактор, собранный по сути в кустарных условиях и не имеющего даже примитивной системы охлаждения.

Лучшие умы человечества пилили графит для реактора на обычных деревообрабатывающих фрезах, а диоксид урана прессовали в брикеты на заднем дворе лаборатории с помощью гидравлического пресса.

Тем не менее, в 1942 году этот реактор дал тепловую мощность в 200 Вт, став родоначальником атомной энергетики.

Уже в 1994 году, американский подросток Дэвид Хан, впечатлившись идеями атомной энергетики, собрал у себя в сарае атомный реактор. Юному гению было всего 17 лет.

Как мы помним, в 1994 году планета еще не была покрыта паутиной всемирного интернета, который хранил в себе знания человечества, поэтому Дэвид, решив собрать атомный реактор, просто не смог найти в библиотеке книг детально описывающих процесс и хитростью выманивал из именитых ученых интересующую его информацию.

До событий 9/11, США жили по другим законом безопасности и поэтому, ученые-атомщики получая письма от подростка , который либо представлялся школьным учителем, либо ученым, с радостью ответным письмом раскрывали особенности устройства атомного реактора в деталях.

Да, тот мир был гораздо наивнее и в чем-то лучше современного.

Естественно, для того, чтобы собрать атомный реактор, нужно достать "радиоактивное топливо" и Дэвид справился и с этой задачей.

Примерно за два года до создания реактора, подросток собирал детекторы дыма, в которых содержался радиоактивный элемент Америций , ныне используемый в компактных опытных атомных реакторов перспективных поколений.

Также в ход пошел Радий, который юный конструктор достал из бытовых приборов 50-х годов, и Уран, заказанный в Чехословакии и вопреки здравому смыслу доставленный подростку в США.

Увы, конструкция реактора была построена по заведомо неверной схеме. "Активная зона" представляла собой шар из радиоактивных материалов, окруженный кубиками из ториевой золы, обложенной урановой пудрой и замотанной алюминиевой фольгой.

Понятно, что достигнуть критического состояния при котором началась бы самоподдерживающееся цепная ядерная реакция, подросток не мог, конструкция представляла собой скорее нейтронный источник , чем атомный реактор.

О "маленькой проказе" американского бойскаута, пожалуй никто бы и не узнал, да только получившаяся сборка вблизи давала уровень радиации, превышающий естественный уровень в 1000 раз.

Столкнувшись с последствиями лучевой болезни, Дэвид решил захоронить сборку от греха подальше в лесу, куда и отправился на собственном автомобиле глубокой ночью.

Разумеется, шерифу на автостраде взволнованный семнадцатилетний юноша в такое время суток показался подозрительным, после чего автомобиль был подвергнут обыску.

Бдительный работник сил правопорядка несколько удивился грузу в багажнике и к делу привлекли агентов ФБР, которые уже по настоящему поняли с чем они столкнулись.

Итогом изысканий Дэвида Хана в области атомной энергетики, стал полный снос придомовых построек с участка Ханов, сбор грунта с близлежащей местности и последующим захоронением всего этого добра в могильнике для радиоактивных отходов.

Семья 17 летнего подростка вместо нобелевской премии получила солидный штраф в $ 60 000 , а сам Дэвид был отправлен в армию, с глаз долой подальше, где служил на атомном авианосце.

Сегодня уже мало кто помнит такой советский автомобильный проект, как «Волга-атом». Даже в советские времена сведений о нем в публичное пространство почти не поступало, из-за чего в последующие годы «Волга-атом» обросла множеством как черных, так и белых мифов. Так зачем же советским конструкторам потребовался атомный реактор в обычной машине? Попробуем посмотреть на данную историю чуть-чуть шире, чтобы лучше ее понять.

Один из главных черных мифов о «Волга-атом» сводится к тому, что советские послы увидели в 1958 году на выставке в Вашингтоне американский атом-мобиль Ford Nucleon, после чего честно «скомуниздили» идею у заклятых заокеанских друзей.

Атомная энергетика развивалась на протяжении всего XX века. С появлением первых реакторов и ядерного оружия в 1940-е годы люди по обе стороны океана оказались под действием «атомной романтики». В 1950-е годы атом казался абсолютным источником энергии. Ученые и конструкторы и на Западе, и на Востоке надеялись на то, что именно атом в будущем сможет заменить собой абсолютно все существовавшие источники энергии: уголь, газ, нефть и многочисленные побочные продукты. Поэтому и в США, и в СССР ученых охватила лихорадка запихивания атомных реакторов во все, что требует присутствие силовой установки: подводные лодки, корабли, ледоколы, самолеты, танки, различная промышленная и сельскохозяйственная техника и, конечно же, автомобили.

Вот только очень быстро ученые по обе стороны Атлантического океана столкнулись с рядом проблем. Первая: это безопасность таких силовых установок для людей, а точнее их небезопасность на уровне технологий второй половины XX века. Вторая: это массогабаритные параметры силовых установок. Оказалось, что нельзя просто так выколупать реактор с какого-нибудь ледокола и вставить его в автомобиль, просто уменьшив в размерах. Были и другие проблемы. Однако, именно первые две фактически поставили крест на внедрении мирного атома в гражданскую отрасль и простую повседневную жизнь граждан.

Забудьте о наборах, из которых можно собрать программируемых роботов. Забудьте о радиоуправляемых автомобилях, дирижаблях и даже миниатюрных вертолетах. Детям XXI века нужны другие игрушки. Теперь каждый школьник может почувствовать себя Курчатовым, собрав на столе самый настоящий ядерный реактор!

1. Свободнопоршневой двигатель Стирлинга работает от нагревания «атомным паром» 2. Индукционный генератор дает около 2 Вт электроэнергии для питания лампы накаливания 3. Характерное голубое свечение – это черенковское излучение электронов, выбитых из атомов гамма-квантами. Может служить в качестве отличного ночника!

Кадры решают все

За прошедшие полвека ученые получили несколько горьких уроков и научились строить надежные и безопасные реакторы. И хотя сейчас в этой области наблюдается спад, вызванный недавней аварией на Фукусиме, вскоре он вновь сменится подъемом, и АЭС по-прежнему будут рассматриваться как чрезвычайно перспективный способ получения чистой, надежной и безопасной энергии. Но уже сейчас в России чувствуется дефицит кадров, как ив 1950-х. Чтобы привлечь школьников и повысить интерес к атомной энергетике, Научно-производственное предприятие (НПП) «Экоатомконверсия», взяв пример с A.C. Gilbert Company, выпустила образовательный набор для детей от 14 лет. Разумеется, наука за эти полвека не стояла на месте, поэтому, в отличие от своего исторического прототипа, современный набор позволяет получить намного более интересный результат, а именно — собрать на столе самый настоящий макет атомной электростанции. Разумеется, действующий.

Грамотность с пеленок

«Наша компания родом из Обнинска- города, где атомная энергия знакома и привычна людям чуть ли не с детского сада, — объясняет "ПМ" научный руководитель НПП "Экоатомконверсия" Андрей Выхаданко. — И все понимают, что бояться ее совершенно не надо. Ведь по-настоящему страшна лишь неизвестная опасность. Поэтому мы и решили выпустить этот набор для школьников, который позволит им вдоволь поэкспериментировать и изучить принципы работы атомных реакторов, не подвергая себя и окружающих серьезному риску. Как известно, знания, полученные в детстве, самые прочные, так что выпуском этого набора мы надеемся значительно понизить вероятность повторения Чернобыля или

Фукусимы в будущем».

Ненужный плутоний

За годы работы множества АЭС скопились тонны так называемого реакторного плутония. Он состоит в основном из оружейного Pu-239, содержащего около 20% примеси других изотопов, в первую очередь Pu-240. Это делает реакторный плутоний абсолютно непригодным для создания ядерных бомб. Отделение примеси оказывается весьма сложным, так как разница масс между 239-м и 240-м изотопами — всего 0,4%. Изготовление ядерного топлива с добавкой реакторного плутония оказалось технологически сложным и экономически невыгодным, так что этот материал остался не у дел. Именно «бросовый» плутоний и использован в «Наборе юного атомщика», разработанном НПП «Экоатомконверсия».

Как известно, для начала цепной реакции деления ядерное топливо должно иметь определенную критическую массу. Для шара из оружейного урана-235 она составляет 50 кг, из плутония-239 — только 10. Оболочка из отражателя нейтронов, например бериллия, может снизить критическую массу в несколько раз. А использование замедлителя, как в реакторах на тепловых нейтронах, снизит критическую массу более чем в десять раз, до нескольких килограммов высокообогащенного U-235. Критическая масса Pu-239 и вовсе составит сотни граммов, и именно такой сверхкомпактный реактор, умещающийся на столе, разработали в «Экоатомконверсии».

Что в сундучке

Упаковка набора скромно оформлена в черно-белых тонах, и лишь неяркие трехсегментные значки радиоактивности несколько выделяются на общем фоне. «Никакой опасности на самом деле нет, — говорит Андрей, указывая на слова "Совершенно безопасно!», написанные на коробке. — Но таковы требования официальных инстанций». Коробка тяжеленная, что неудивительно: в ней находится герметичный транспортировочный свинцовый контейнер с тепловыделяющей сборкой (ТВС) из шести плутониевых стержней с циркониевой оболочкой. Помимо этого набор включает внешний корпус реактора из термостойкого стекла с химической закалкой, крышку корпуса со стеклянным окном и гермовводами, корпус активной зоны из нержавеющей стали, подставку под реактор, управляющий стержень-поглотитель из карбида бора. Электрическая часть реактора представлена свободнопоршневым двигателем Стирлинга с соединительными полимерными трубками, маленькой лампой накаливания и проводами. В комплект также входят килограммовый пакет с порошком борной кислоты, пара защитных костюмов с респираторами и гамма-спектрометр со встроенным гелиевым детектором нейтронов.

Постройка АЭС

Сборка действующего макета АЭС по прилагаемому руководству в картинках очень проста и занимает менее получаса. Надев стильный защитный костюм (он нужен только на время сборки), вскрываем герметичную упаковку с ТВС. Затем вставляем сборку внутрь корпуса реактора, накрываем корпусом активной зоны. Под конец защелкиваем сверху крышку с гермовводами. В центральный нужно вставить до конца стержень-поглотитель, а через любой из двух других заполнить активную зону дистиллированной водой до черты на корпусе. После заполнения к гермовводам подключаются трубки для пара и конденсата, проходящие через теплообменник двигателя Стирлинга. Сама АЭС на этом закончена и готова к запуску, остается лишь поместить ее на специальную подставку в аквариум, заполненный раствором борной кислоты, который отлично поглощает нейтроны и защищает юного исследователя от нейтронного облучения.

Три, два, один — пуск!

Подносим гамма-спектрометр с датчиком нейтронов вплотную к стенке аквариума: небольшая часть нейтронов, не представляющая угрозы для здоровья, все-таки выходит наружу. Медленно поднимаем регулировочный стержень до начала быстрого роста потока нейтронов, означающего запуск самоподдерживающейся ядерной реакции. Остается только дождаться выхода на нужную мощность и на 1 см по меткам вдвинуть стержень назад, чтобы скорость реакции стабилизировалась. Как только начнется кипение, в верхней части корпуса активной зоны появится прослойка пара (перфорация в корпусе не позволяет этой прослойке оголить плутониевые стержни, что могло бы привести к их перегреву). Пар по трубке идет вверх, к двигателю Стирлинга, там он конденсируется и стекает по выходной трубке вниз внутрь реактора. Разность температур между двумя концами двигателя (один нагревается паром, а другой охлаждается комнатным воздухом) преобразуется в колебания поршня-магнита, а тот, в свою очередь, наводит переменный ток в окружающей двигатель обмотке, зажигая атомный свет в руках юного исследователя и, как надеются разработчики, атомный интерес в его сердце.

Примечание редакции: данная статья опубликована в апрельском номере журнала и является первоапрельским розыгрышем.

Кстати, после этой шутки, в редакцию поступило 200 запросов где купить данный «конструктор» и три предложения об оптовой покупке!)

Наши суровые школьники тоже могут изучать ядерную энергетику у себя дома! Отечественная промышленность тоже не лыком шита и в своё время выпустила отличный конструктор "Набор Юного атомщика". Теперь каждый школьник может почувствовать себя Курчатовым, собрав на столе самый настоящий ядерный реактор!

В 1950-х годах, с появлением атомных реакторов, перед человечеством, казалось бы, замаячили блестящие перспективы решения всех энергетических проблем. Инженеры-энергетики проектировали атомные электростанции, судостроители — атомные электроходы, и даже автоконструкторы решили присоединиться к празднику и использовать «мирный атом». В обществе возник «атомный бум», и промышленности стало не хватать квалифицированных специалистов. Требовался приток новых кадров, и была развернута серьезная образовательная компания не только среди студентов университетов, но и среди школьников. Например, A.C. Gilbert Company выпустила в 1951 году детский набор Atomic Energy Lab, содержащий несколько небольших радиоактивных источников, необходимые приборы, а также образцы урановой руды. Этот «наисовременнейший научный набор», как было написано на коробке, позволял «юным исследователям провести более 150 захватывающих научных экспериментов».
Кадры решают всеЗа прошедшие полвека ученые получили несколько горьких уроков и научились строить надежные и безопасные реакторы. И хотя сейчас в этой области наблюдается спад, вызванный недавней аварией на Фукусиме, вскоре он вновь сменится подъемом, и АЭС по‑прежнему будут рассматриваться как чрезвычайно перспективный способ получения чистой, надежной и безопасной энергии. Но уже сейчас в России чувствуется дефицит кадров, как ив 1950-х. Чтобы привлечь школьников и повысить интерес к атомной энергетике, Научно-производственное предприятие (НПП) «Экоатомконверсия», взяв пример с A.C. Gilbert Company, выпустила образовательный набор для детей от 14 лет.

Разумеется, наука за эти полвека не стояла на месте, поэтому, в отличие от своего исторического прототипа, современный набор позволяет получить намного более интересный результат, а именно — собрать на столе самый настоящий макет атомной электростанции. Разумеется, действующий.
Грамотность с пеленок
НПП «Экоатомконверсия» находится в Обнинске - городе, где атомная энергия знакома и привычна людям чуть ли не с детского сада и все понимают, что бояться ее совершенно не надо. Ведь по‑настоящему страшна лишь неизвестная опасность. Поэтому мы и решили выпустить этот набор для школьников, который позволит им вдоволь поэкспериментировать и изучить принципы работы атомных реакторов, не подвергая себя и окружающих серьезному риску. Как известно, знания, полученные в детстве, самые прочные, так что выпуском этого набора мы надеемся значительно понизить вероятность повторения Чернобыля или Фукусимы в будущем».

Ненужный плутоний
За годы работы множества АЭС скопились тонны так называемого реакторного плутония. Он состоит в основном из оружейного Pu-239, содержащего около 20% примеси других изотопов, в первую очередь Pu-240. Это делает реакторный плутоний абсолютно непригодным для создания ядерных бомб. Отделение примеси оказывается весьма сложным, так как разница масс между 239-м и 240-м изотопами — всего 0,4%. Изготовление ядерного топлива с добавкой реакторного плутония оказалось технологически сложным и экономически невыгодным, так что этот материал остался не у дел. Именно «бросовый» плутоний и использован в «Наборе юного атомщика», разработанном НПП «Экоатомконверсия».
Как известно, для начала цепной реакции деления ядерное топливо должно иметь определенную критическую массу. Для шара из оружейного урана-235 она составляет 50 кг, из плутония-239 — только 10. Оболочка из отражателя нейтронов, например бериллия, может снизить критическую массу в несколько раз. А использование замедлителя, как в реакторах на тепловых нейтронах, снизит критическую массу более чем в десять раз, до нескольких килограммов высокообогащенного U-235. Критическая масса Pu-239 и вовсе составит сотни граммов, и именно такой сверхкомпактный реактор, умещающийся на столе, разработали в «Экоатомконверсии».
Что в сундучке
Упаковка набора скромно оформлена в черно-белых тонах, и лишь неяркие трехсегментные значки радиоактивности несколько выделяются на общем фоне. «Никакой опасности на самом деле нет, — говорит Андрей, указывая на слова «Совершенно безопасно!», написанные на коробке. — Но таковы требования официальных инстанций». Коробка тяжеленная, что неудивительно: в ней находится герметичный транспортировочный свинцовый контейнер с тепловыделяющей сборкой (ТВС) из шести плутониевых стержней с циркониевой оболочкой. Помимо этого набор включает внешний корпус реактора из термостойкого стекла с химической закалкой, крышку корпуса со стеклянным окном и гермовводами, корпус активной зоны из нержавеющей стали, подставку под реактор, управляющий стержень-поглотитель из карбида бора. Электрическая часть реактора представлена свободнопоршневым двигателем Стирлинга с соединительными полимерными трубками, маленькой лампой накаливания и проводами. В комплект также входят килограммовый пакет с порошком борной кислоты, пара защитных костюмов с респираторами и гамма-спектрометр со встроенным гелиевым детектором нейтронов.
Постройка АЭС
Сборка действующего макета АЭС по прилагаемому руководству в картинках очень проста и занимает менее получаса. Надев стильный защитный костюм (он нужен только на время сборки), вскрываем герметичную упаковку с ТВС. Затем вставляем сборку внутрь корпуса реактора, накрываем корпусом активной зоны. Под конец защелкиваем сверху крышку с гермовводами. В центральный нужно вставить до конца стержень-поглотитель, а через любой из двух других заполнить активную зону дистиллированной водой до черты на корпусе. После заполнения к гермовводам подключаются трубки для пара и конденсата, проходящие через теплообменник двигателя Стирлинга. Сама АЭС на этом закончена и готова к запуску, остается лишь поместить ее на специальную подставку в аквариум, заполненный раствором борной кислоты, который отлично поглощает нейтроны и защищает юного исследователя от нейтронного облучения.
Три, два, один — пуск!
Подносим гамма-спектрометр с датчиком нейтронов вплотную к стенке аквариума: небольшая часть нейтронов, не представляющая угрозы для здоровья, все-таки выходит наружу. Медленно поднимаем регулировочный стержень до начала быстрого роста потока нейтронов, означающего запуск самоподдерживающейся ядерной реакции. Остается только дождаться выхода на нужную мощность и на 1 см по меткам вдвинуть стержень назад, чтобы скорость реакции стабилизировалась. Как только начнется кипение, в верхней части корпуса активной зоны появится прослойка пара (перфорация в корпусе не позволяет этой прослойке оголить плутониевые стержни, что могло бы привести к их перегреву). Пар по трубке идет вверх, к двигателю Стирлинга, там он конденсируется и стекает по выходной трубке вниз внутрь реактора. Разность температур между двумя концами двигателя (один нагревается паром, а другой охлаждается комнатным воздухом) преобразуется в колебания поршня-магнита, а тот, в свою очередь, наводит переменный ток в окружающей двигатель обмотке, зажигая атомный свет в руках юного исследователя и, как надеются разработчики, атомный интерес в его сердце.

Читайте также: