Графіт в атомному реакторі, андрей смирнов
Графіт - допоміжний матеріал багатьох виробництв і він же - конструкційний матеріал окремих виробництв. Окремих, але дуже важливих. Про один з них розповімо докладніше.
І перший в світі атомний реактор. і перший реактор нашої країни були уран-графітовими.
Очевидно, більшості Новомосковсктелей відомо, що основна роль графіту в атомному реакторі - роль сповільнювач нейтронів. Але чи всі знають, навіщо потрібно сповільнювати їх? Зазвичай на це питання відповідають, що швидкі нейтрони не ділять ядра урану-235.
Це не зовсім так. Якби швидкий нейтрон потрапив в ядро урану-235, він злився б з ним, і складене ядро розпалося. Але ядро, як відомо, у багато разів менше атома, і більшість нейтронів летить повз. Повільні нейтрони, що пролітають поблизу ядер урану-235, захоплюються цими ядрами, після чого ядра діляться. Швидкі ж нейтрони занадто енергійні, і ядра розсіяного в масі урану-238 легкого ізотопу (урану-235) не встигають їх захопити.
Енріко Фермі і Лео Сциллард першими вирахували, що ланцюговий процес розподілу урану стане можливий, якщо уповільнити нейтрони зі швидкості приблизно 22 м / с. (Для мікросвіту це дуже невелика швидкість. Жоден генератор нейтронів не може дати настільки загальмованих часток. Значить, їх потрібно уповільнити в речовині.)
Вважали, і не без підстав, що найкращим, найефективнішим сповільнювачем нейтронів буде важка вода. окис дейтерію D2O.
Перша в світі установка, в якій сподівалися провести ланцюгову ядерну реакцію, була побудована ще в 1939 році у Франції. Це був алюмінієвий куля, заповнений суспензією окису урану у важкій воді. З важкою водою пов'язані щонайменше три героїчних історії. Норвезькі антифашисти підірвали велектролітичні установку заводу «Хайдро» і знищили більшу частину запасів D2O, призначених для вивезення в фашистську Німеччину. Асистенти Фредеріка Жоліо-Кюрі Лев Коварский і Ганс Хальбан зуміли вивезти з окупованої Франції 130 літрів важкої води, по суті справи весь французький запас. Відома, нарешті, драматична історія великого датчанина Нільса Бора, який, залишаючи батьківщину, не взяв з собою нічого, крім зеленої пивної пляшки з важкою водою. Великі були засмучення і сум'яття Бора, коли, прибувши до Англії, він виявив, що під стать хрестоматійним розсіяним професорам взяв не ту пляшку. Датським підпільникам передали наказ знайти і вилучити пляшку з D2O до того, як її виявлять фашисти. Це коштувало чималих праць і ризику, але в кінці кінців все закінчилося благополучно, і Бор з полегшенням відкоркував «не ту» пляшку - в ній було гарне пиво.
Ці три історії, зрозуміло, не рівнозначні. ЛІКВІДІЦІІ виробництва D2O в Норвегії завдала серйозного удару по планам німецьких фізиків, бо в 1942 р на цьому заводі, згідно з директивами з Німеччини, повинні були отримати понад 4,5 тонни важкої води. Зауважимо, що, за розрахунками Ф. Жоліо-Кюрі, для підтримки ланцюгової реакції потрібно було накопичити всього одну тонну D2O.
Через багато років реактори з важкою водою як сповільнювач з'явилися. Але найперші ядерні реактори і Фермі, і Курчатов вважали за краще робити уран-графітовими. Чому? Ось що писала з цього приводу в книзі спогадів «Атоми у нас вдома» Лаура Фермі - вдова великого фізика. «Після кількох місяців досліджень вони прийшли до висновку, що ні вода, ні будь-яке інше водородсодержащего речовина не придатні як сповільнювач. Водень поглинає занадто багато нейтронів, і в силу цього ланцюгова реакція стає неможливою.
Лео Сциллард і Фермі вирішили використовувати як сповільнювач вуглець. Вони вважали, що вуглець буде в достатній мірі сповільнювати нейтрони і поглинати їх буде менше, ніж вода. Але для цього вуглець повинен володіти дуже високим ступенем чистоти.
Сциллард і Фермі задумали спорудити щось таке, що, на їхню міркування, повинно було забезпечити ланцюгову реакцію. Ця споруда мала представляти собою кладку з шарів урану і дуже чистого графіту; пласти чистого графіту повинні чергуватися з пластами графіту зі вставленими в нього стрижнями урану, інакше кажучи, вони вирішили побудувати pile, або «котел».
Переклад слова pile як «котел» навряд чи можна визнати вдалим (англійське pile означає штабель, купу). І дійсно, перші реактори швидше нагадували штабель. У нашій країні термін «атомний котел» проіснував недовго. Загальноприйнята нині назва таких споруд - ядерний реактор.
З інших книг відомі деякі технічні характеристики реактора, спорудженого Фермі, і деякі подробиці їх роботи. Подібно автомобільним запчастинах, пропонованим на dtbm.ru всі атомні реактори створюються з високоякісних матеріалів. У хід йдуть висококласні марки стали, і очищений графіт. Відомо, наприклад, що основою конструкції були графітові колони висотою в 3 і шириною в 1,2 метра і що споруда з графітових блоків доповнювалося кубічними банками з окисом урану. Як писав історіограф американських ядерних досліджень Вільям Л. Лоуренс, «атомному вогню дозволили горіти протягом двадцяти восьми хвилин, потім Фермі дав сигнал, і вогонь був погашений».
А ще відомо, що над уран-графітового кладкою під час першого її пуску чергували двоє молодих вчених з відрами напоготові. У відрах був розчин кадмиевой солі: кадмій активно поглинає нейтрони і гасить ланцюгову реакцію.
Звернемося тепер до іншої відомої книги, щоб, як кажуть, з перших рук, від одного із сподвижників Курчатова дізнатися. що робили з ураном і графітом в кінці війни.
До того, що ми знаємо про особу Курчатова - вченого і організатора науки, цей уривок додасть небагато, хіба що ще раз засвідчить, що Курчатов не цурався чорнової і чорної в повному сенсі цього слова роботи. А ось про роль графіту в реакторобудуванні цей же уривок розповідає уважному Новомосковсктелю досить багато.
З попереднього ми знаємо про двох ролях графіту в реакторе- про уповільнення їм нейтронів і про графіті як конструкційному матеріалі. Тут же, в останніх рядках, - свідоцтва третьої і четвертої його ролей. Графіт в реакторі служить ще і відбивачем нейтронів, заважає їм покинути активну зону, і він же служить першим кордоном радіаційного захисту обслуговуючого реактор персоналу.
Для роботи в атомному реакторі придатний далеко не всякий графіт. В реакторному графіті не повинно бути і слідів кадмію, бору, ванадію, літію, рідкоземельних елементів, а також ртуті і хлору, сильно поглинають нейтрони. Строго регламентуються і інші домішки. Тому в реакторах використовують лише штучний графіт вищої чистоти.
В одній старій книзі я знайшов таке визначення: «Графіт являє останню стадію багатовікової природної карбонізації органічних речовин». Дійсно, кам'яне вугілля можна вважати попередником графіту на вуглецевому генеалогічному древі. Умови перетворення вугілля в графіт під землею - висока температура і відсутність кисню. Тоді вугілля витрачає на окислення той незначний запас кисню, що в ньому зберігся. Цей кисень окисляє насамперед залишковий водень кам'яного вугілля. Водяна пара йде, залишається чистим вуглецем, атоми якого в цих умовах перебудовуються в кристалічну решітку графіту.
Отримуючи штучний графіт, людина нічого не вигадує від себе, він повторює шлях «природної карбонізації органічних речовин». Сировиною для отримання реакторного графіту зазвичай служать нафтовий кокс і кам'яновугільна смола (в якості сполучного). Їх заздалегідь ретельно очищають від домішок, кокс дроблять на дрібні шматки, а потім змішують зі смолою, отримують густу тестоподобной масу. З неї заздалегідь пресують потрібні деталі, щоб до межі зменшити подальшу механічну обробку.
В електричної або газової печі при температурі 1500 ° С відбувається процес повного обвуглювання і часткової графитизации цієї маси. Одночасно йде друга стадія очищення: вигорає частина домішок. Але речовина, отримане після випалу, це ще не реакторний графіт. І домішки деякі залишилися, і пори. Та й структура речовини поки що дрібнокристалічна, характерна для нижчих сортів природного графіту.
Більш щільний графіт виходить після додаткової просочення смолою і повторного випалу. «На цій стадії, - як пишуть англійські фахівці Д. Дрісколл і Дж. Белл, - продукт спікання дуже твердий, він не піддається механічній обробці і все ще містить значну кількість домішок. Тому виріб засипають нафтовим коксом і піддають Графітізуючі випалу в електричній печі при температурі близько 2800 ° С; при цій обробці відбувається утворення кристалів і виникає типова для графіту шарувата структура. Одночасно змінюються і властивості графіту; отриманий матеріал можна легко піддавати механічній обробці, і теплопровідність його збільшується. В процесі графітизації підвищується також чистота продукту, оскільки багато домішки при таких високих температурах випаровуються ».
До цього можна додати, що на другій стадії графітизації розміри кристалів графіту збільшуються приблизно в десять разів і досягають в поперечнику тисячних часток міліметра. Щільність реакторного графіту 2,21-2,25 грама на кубічний сантиметр, температура плавлення 3800-3900 ° С під тиском, межа міцності на розтяг не менше 50 кілопаскалей на 1 квадратний сантиметр, а на стиск - від 160 до 300. Перетин захоплення теплових нейтронів регламентується особливо строго і становить не більше 0,0045 барна. Це дуже мало, однак у спектрально чистого графіту ця величина ще в півтора рази менше.
Фізиків і конструкторів сучасних «атомних котлів» графіт реакторної чистоти в общем-то влаштовує. Але не в усьому. З усіх недоліків такого графіту, мабуть, наібольшій- крихкість, тобто мале опір ударним навантаженням. І ще - зміна фізичних властивостей під дією нейтронної бомбардування. Особливо сильно зменшуються його електропровідність і теплопровідність. Останнє дуже погано, бо при роботі ядерного реактора виділяється тепло, яке треба відводити.
Але не всі характеристики графіту під дією нейтронних потоків погіршуються. Модуль пружності, наприклад, навпаки, зростає. Одним словом, комплекс фізичних і хімічних властивостей штучного графіту в цілому відповідає високим вимогам сучасної атомної техніки.