Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

7.22. С точки зрения ядерной физики для этой цели можно применять семь элементов (Pb, Bi, Be, Al, Мg, Zn, Sn), ни один из которых не обладает большим поперечным сечением поглощения нейтронов. Бериллиевые трубки получить невозможно, а из всех других металлов только алюминий можно считать пригодным с точки зрения коррозии. Однако, не было никакой уверенности, что алюминиевые трубы будут удовлетворительны, и сомнения относительно их коррозии оставались до тех пор, пока котел не был испытан в работе.

7.23. Помимо выбора материала для труб, нужно было также выбрать другие материалы, употребляемые в котле, с учетом критериев ядерной физики и требований устойчивости по отношению к радиоактивному излучению. Электроизоляционные материалы, употребляемые в приборах, помещаемых в котел, не должны разрушаться под действием радиоактивного излучения. Естественно предположить, что когда приходится контрольную или экспериментальную пробу помещать в котел или удалять из него, то в результате пребывания этой пробы в котле она приобретает сильную радиоактивность, величина которой зависит от применяемого материала.

7.24. Наконец, не было известно, какое воздействие имеют поля излучений на графит и уран в котле. Позднее было обнаружено, что электрическое сопротивление, упругость и теплопроводность графита изменяются от интенсивного облучения нейтронами.

7.25. Наиболее эффективным способом охлаждения было бы непосредственное соприкосновение потока воды с ураном, в котором выделяется тепло. Однако, этот способ исключен: уран химически реагирует с водой, что приводит к отравлению воды радиоактивным веществом и к разрушению блоков урана. Необходимо было, поэтому, найти метод защиты урана от непосредственного соприкосновения с водой. Были изучены две возможности: одна — покрытие (электролизом или погружением), другая — заключение урановых блоков в герметический защитный кожух. Как ни странно, эта «проблема оболочки» оказалась одной из самых трудных проблем, возникших при конструировании котла.

7.26. Проблема отвода тысяч киловатт энергии достаточно серьезна. Количество воды, необходимой для охлаждения, зависит, конечно, от максимальной температуры, до которой вода может быть безопасно нагрета, и от максимальной температуры воды, забираемой из реки Колумбии. Воды требовалось столько, сколько нужно для водоснабжения довольно большого города. Необходимо было предусмотреть насосную станцию, фильтрацию, установку для обработки воды и т. д. Система должна была быть весьма надежной; нужно было, поэтому, разработать быстро действующее устройство для моментального прекращения цепной реакции в котле в случае аварии в системе подачи воды. Так как было решено применять прямоточное охлаждение, вместо циркуляционного, необходим был отстойный бассейн, в котором осаждались бы перед возвращением воды в реку радиоактивные примеси, содержащиеся в воде. Объем пропускаемой воды должен был быть столь велик, что проблема ее радиоактивности становилась весьма важной, и поэтому следовало определить минимальное время выдерживания воды в отстойниках, в течение которого она становится абсолютно безопасной.

7.27. Задача управления была очень похожа на ту же задачу для первого котла, с тем лишь различием, что все здесь имело соответственно увеличенные размеры и поэтому представляло большую возможную опасность. Необходимо было обеспечить устройства, которые должны автоматически поддерживать работу котла на определенном уровне мощности Эти устройства должны быть связаны с приборами внутри котла, измеряющими плотность нейтронов или какую-либо другую величину, дающую возможность судить о мощности котла. Следовало, далее, иметь аварийный контроль, который должен действовать почти мгновенно, если мощность котла обнаруживает тенденцию быстрого роста или в случае, когда возникают какие-либо перебои в снабжении водой. Было крайне желательно также иметь возможность получать указания о возникающих неполадках, например, о закупоривании отдельных труб или о повреждении оболочки одного из блоков урана. Весь этот контроль должен был осуществляться через толстую защитную стену.

7.28. Как мы уже неоднократно указывали, радиоактивное излучение котла, работающего на высокой мощности, столь интенсивно, что делает совершенно невозможным для обслуживающего персонала пребывание вблизи него. Более того, это излучение, в особенности нейтронное, имеет резко выраженную способность проникать через отверстия и трещины в препятствиях. Весь котел, поэтому, должен быть окружен очень толстыми стенами из бетона, стали или из какого-либо другого поглощающего материала. Вместе с тем должна быть предусмотрена возможность загрузки и разгрузки котла через эти стены и ввод и вывод воды через них. Защитные укрытия должны быть не только непроницаемы для радиоактивного излучения, но и газонепроницаемы, так как воздух, подвергшийся облучению в котле, становится радиоактивным.

7.29. Опасность излучения, вызывающая необходимость в защитном укрытии котла, распространяется также на всю площадь, занимаемую установкой для выделения плутония. Продукты деления, образующиеся при производстве плутония, обладают высокой радиоактивностью, и оперирование с ураном после его изъятия из котла должно производиться через защитную стенку на расстоянии; кроме того, необходимо предусмотреть защитные мероприятия при транспортировке урана к разделительной установке. Все части работы разделительной установки, включая анализы, должны обслуживаться управлением на расстоянии через защитную стенку, вплоть до того момента, когда плутоний в значительной степени освободится от радиоактивных продуктов деления.

7.30. Проблема обслуживания формулируется весьма просто: не может быть никакого обслуживания внутри защитного ограждения, если котел работает. То же замечание относится в несколько меньшей мере к установке для выделения плутония. Для тех случаев, когда необходимо по условиям обслуживания остановить установку, должен быть предусмотрен соответствующий «обезвреживающий» процесс, проводимый для понижения интенсивности радиоактивного излучения ниже уровня, представляющего опасность для персонала. Проблемы эксплоатации вспомогательных частей установки обычны; исключение составляет необходимость в резервном насосном и силовом оборудовании на случай внезапной аварии системы охлаждения.

7.31. Очевидно, что количество плутония в нормально работающей установке возрастает с временем работы. Поскольку Pu−239 сам подвергается делению, то его образование стимулирует цепную реакцию, в то время как постепенное исчезновение U-235 и появление продуктов деления с большим поперечным сечением поглощения нейтронов стремится остановить реакцию. Выбор момента остановки работающего котла и удаления плутония требует точного соответствия этих факторов с графиком времени, стоимостью материала, эффективностью процесса выделения и т. д. Точнее говоря, эта задача относится скорее к эксплоатации, чем к проектированию установки; однако, необходимо предусмотреть и эти вопросы, чтобы планировать загрузку урана в котел и передачу его на разделительную установку.

7.32. Мы говорили о производственной мощности установки, выраженной лишь через величину валовой продукции. Естественно, заданное количество продукции может быть получено в одном большом котле или в нескольких меньших. Принципиальное преимущество котлов меньших размеров заключается в уменьшении времени, необходимого для сооружения первого котла, в возможности вносить изменения в последующие котлы и — что, может быть, наиболее важно — в невероятности одновременного выхода из строя всех котлов. Неудобство малых котлов заключается в том, что они требуют непропорционально больших количеств урана, замедлителя и т. д. Очевидно имеются наиболее предпочтительные «оптимальные» размеры котла, которые можно приближенно определить из теоретических соображений.

7.33. Как мы уже подчеркивали, блоки урана, вынимаемые из котла, обладают высокой радиоактивностью и, поэтому, обращение с ними требует управления на расстоянии в защищенных укрытиях.

Общая схема, приведенная ниже, была предложена во второй половине 1942 г., в особенности в связи с проектами клинтонской разделительной установки. По этой схеме строился «каньон», который должен был состоять из ряда помещений с толстыми бетонными стенами, и почти полностью врытых в землю. Каждое помещение должно было содержать растворяющие или осаждающие камеры или центрифуги. Блоки урана должны поступать в определенное помещение с одного конца каньона; там они растворяются и проходят через различные процессы растворения, осаждения, окисления или восстановления, пока в последнее отделение не поступает раствор плутония, свободный от урана и продуктов деления. Так же, как и в котле, все процессы должны управляться на расстоянии из помещения, находящегося на поверхности земли, но операции будут гораздо сложнее. Однако, основной характер химических операций не намного отличается от обычного поля деятельности химиков.