Решил перевыполнить план на сегодня и опубликовать очередную статью Бориса Марцинкевича из цикла "Сага о Росатоме". В данной статье пойдет речь о том как все начиналось, как и кем разрабатывались первые технологии. Т.к. без подробностей, многое можно не понять, автору пришлось приводить много технических деталей, но еще раз обращаю ваше внимание, Борис старался писать понятливым языком для обычных людей, не специалистов.
Статья будет покрупней предыдущей.

Мир вокруг «Иглы»

Впрочем, можно назвать и несколько иначе — полцарства за «иглу». Угу-угу — я снова про то, что имеет страна-бензоколонка и как она живет без айфона... Только в этот раз вынужден заранее попросить прощения: много технических деталей, без разъяснения которых понять, что к чему, зачем и почему — не получится.
Что происходит внутри атомного реактора, если на пальцах?
Ядерная реакция — в реакторе созданы условия для того, чтобы ядра атомов урана успешно разваливались, без взрывов выделяя при этом энергию, которую мы научились использовать себе во благо.
Помните школьное: «В ядро атома попадает нейтрон, выбивает из него 2 нейтрона, те выбивают из следующих атомов еще по 2 нейтрона»? Ну, вот оно самое.

Но, как нам известно из политики — разваливается только то, что подспудно к развалу готово: есть атомы, которые после удара нейтрона разваливаются, но куда больше тех, которым такие удары глубоко по барабану, стучи ты в него или не стучи. БОльшая часть атомов урана именно так себя и ведет — не выколачиваются из него нейтроны, да и все тут.
Ядро атома урана состоит из 238 протонов и нейтронов, и им вместе «хорошо». В 30-е годы прошлого века Энрико Ферми разгонял на ускорителе нейтроны и обстреливал ими уран: хотел, чтобы ядра «приняли» эти нейтроны внутрь себя и получились химические элементы тяжелее, чем уран. Стрелял-стрелял, да что-то никакого толка от этого не было.
В 1939 году два немца — Отто Ган и Фриц Штрассман смогли понять, в чем проблема: часть атомов урана разваливается на куски, выпуливая еще и дополнительные нейтроны.
Почему я про Гана и Штрассмана вспомнил? Чтобы напомнить: именно Германия, уже ставшая гитлеровской, была ближе всех к созданию атомной бомбы. И это нам оказалось полезно — но уже после войны. А миру повезло с тем, что Гана больше интересовало, на что именно разваливаются атомы урана, а не то, как использовать «лишние» нейтроны. Этими «лишними» нейтронами занялись американцы, результат их трудов на себе почувствовали японцы в 1945-м году...

Так что такое с ураном-то? То он делится, то он не делится... БОльшая часть природного урана — 99,3% — это уран-238, в нем никакая цепная реакция не идет.
Но есть среди атомов урана и отщепенцы — уран-235, у которых в ядре на 3 частицы меньше. Вот эти «оппозиционеры», как и всегда, воду мутят и не дают спокойно жить. Прибывший нейтрон разваливает уран-235 на куски, при развале урана-235 и идет выделение той самой энергии, которая может и города в куски разрывать, и мирно греть воду, которая крутит турбины атомных электростанций.
Но, развалившись, уран-235 превращается в атомы других элементов, которые больше участия ни в каких таких полезных нам ядерных реакциях участвовать не желают. Развалился уран-235 один раз — и все, в дальнейшей игре он уже не участвует. Значит, чтобы реактор работал долго, урана-235 надо много. Как этого добиться? Ну, либо берем гору природного урана, либо добиваемся того, чтобы урана-235 в нем было не 0,7%, а больше.
Поэкспериментировали — выяснили, что если уран-235 в куске природного будет 5-7%, получится то, что надо: гореть будет спокойно, без взрывов, гореть будет достаточно долго, отдавая человеку нужную ему энергию. Поскольку человеки завсегда думают про деньги, процесс увеличения концентрации урана-235 в природном уране-238, они назвали «обогащением». Ну, так уж мы устроены.
Короче: хотите, чтобы уран был полезен для АЭС — обогащайте его. Хотите, чтобы уран взрывался в едрен-батонах — обогащайте его.
Тут и встал вопрос: а как этого добиться-то? Ну, вот лежит перед тобой кусок урана — как выкинуть из него лишние атомы-238 и оставить только атомы-235? Задачка...
Достаточно быстро удалось выяснить, что уран легко присоединяет к себе атомы фтора, превращаясь в кристалл, которому нужно всего 56 градусов тепла, чтобы стать газом. Если точнее — смесью газов. В одном из них атомы чуть крупнее и чуть тяжелее — это фтор с ураном-238. Второй газ состоит из атомов чуть поменьше и чуть полегче — фтор с ураном-235.
Ну — разделяй и властвуй!
Изначально физики прицепились к словам «больше — меньше». Ставим сетку, прогоняем через нее газ — уран-235 проскочил, уран-238 застрял, мы в дамках.
Собственно, проблемой разделения изотопов теоретически начал заниматься еще в начале 30-х сам Пауль Дирак — звезда первой величины в физике. Группа ученых под его руководством сделала расчеты и для изотопов урана, по которым получалась, что разделение при помощи центрифуг — антинаучная утопия.
Как происходит разделение при помощи центрифуги? Да по тому же принципу, по которому в сепараторе делают масло из молока. Берем ось, которая будет вращаться, вставляем в бочку, наливаем в нее молоко. Раскручиваем как следует ось — масло на оси, все, что легче — на стенках. Делов-то!
Вот только расчеты теоретиков показали: для того, чтобы легкие атомы урана-235 отделить от тяжелых атомов урана-238, ось центрифуги должна вращаться со скоростью не менее 1200 оборотов в... секунду.
Так не бывает — вот вердикт физиков. Нет таких моторов, никакой металл для оси не выдержит такую нагрузку, никакие подшипники не выдержат такой скорости, никакой материал для стенок не пройдет частоту резонанса (ось набирает скорость постепенно, и обязательно проходит так называемую «критическую частоту», совпадающую с частотой резонанса стенок центрифуги. Помните роту солдат на каменном мосту, шагающей нога в ногу, из-за чего мост просто разваливается?), не разлетевшись на куски.
«Безнадега!» — сказали большие физики. Yes! — ответили американцы и в «Манхэттенском проекте» стали заниматься исключительно сетками. Научное название метода — «диффузионное разделение»: газ ведь проходит сквозь сетку, а в физике такой процесс и называют диффузией.
Как работается с этими сеточками? Кропотливый труд: одна сетка отделяет 1,0002 так нужного атома урана-235. Чтобы добраться до нужных для АЭС 7% урана-235 нужно поставить друг за другом 1 500 сеток. Сама сетка — произведение инженерного искусства. Величина дырочек в ней — 0,000 01 мм, при этом сетка должна выдерживать температуру под 100 градусов, материал должен не бояться постоянной радиации.
И таких сеток нужны тысячи и тысячи. На функционирование каскадов этих сеток уходит прорва электроэнергии: даже после 50 лет усовершенствования этого метода на единицу разделения тратилось 2 500 кВт*ч.
Но результаты таких трудов и таких затрат того стоили — благодаря этим самым сеточкам американцы не только уничтожили Хиросиму и Нагасаки, но и могли строить планы ядерной бомбардировки городов СССР.