3.7.2 Ядерні реактори

2 грудня 1942 року о 15 годині 25 хвилин за місцевим часом на тенісному корті під трибунами стадіону в Чикаго Енріко Фермі вперше в історії людства здійснив керовану ядерну реакцію в "атомному казані". Перший ядерний реактор являв собою сплющений еліпсоїд діаметром 8 метрів і висотою 6 метрів, складений з 385 тонн графітових брикетів, між якими на відстані 21 см один від одного було розміщено 46 тонн уранових блоків вагою 2 кг кожний, тобто реактор був схожий на кристал з кубічною решіткою. Потужність цього реактора — 40 Вт — була меншою від потужності палаючого сірника, і після 28 хвилин роботи ядерну реакцію в ньому було зупинено. Це був початок атомної ери: відтепер шляху назад, у доатомную еру, не було.

Роботи з використання енергії поділу урану, що проводилися в США (6 грудня 1941 року уряд США прийняв рішення про початок робіт із проблеми атомної бомби), були строго засекречені. У Радянському Союзі звернули увагу, що у всіх іноземних журналах припинилися публікації з ядерної фізики, що означало засекреченість цілої галузі науки. Нічим іншим не можна було пояснити зникнення цих публікацій. Причому вони зникли як з німецьких наукових журналів, так і з англійських та американських, тобто схоже було на те, що в цих країнах розвиваються секретні роботи. Прізвища вчених, які займаються ядерними проблемами, не з'являлися, вони просто зникли із журналів. Із цього приводу було багато міркувань, і всі прийшли до висновку, що в США, Англії і Німеччині розпочато роботи зі створення ядерної зброї. Причому США й Англія тримали в секреті свої роботи навіть від СРСР — союзника по антигітлерівській коаліції..

11 лютого 1943 року уряд СРСР прийняв рішення про організацію робіт з уранового проекту. Керівником робіт було затверджено Ігоря Васильовича Курчатова — одного із провідних спеціалістів в галузі ядерної фізики і, що не менш важливо, людину, яка мала видатні організаторські здібності й величезну особисту привабливість.

Для про ведення робіт було організовано Лабораторію № 2 АН СРСР (нині — Інститут атомної енергії ім. І. В. Курчатова). Основним і першочерговим завданням Лабораторії № 2 було проведення досліджень, які дозволили б здійснити ланцюг гову реакцію поділу урану. Грандіозну програму створення реактора і здійснення керованої ланцюгової реакції можна було виконати, розробивши детальну теорію реактора й експериментально перевіривши її, а також одержавши сотні тонн графіту високого ступеня чистоти й десятків тонн дуже чистого урану. Такий графіт і уран у Радянському Союзі ніколи раніш не вироблялися. Але війна й необхід-і ність якнайшвидшого створення атомної зброї спресували час. До 1946 року було створено принципово нові виробництва надчистих уранових і графітових блоків, і 25 грудня 1946 року о 19 годині І. В. Курчатов за участі чотирьох співробітників запустив перший радянський урановий реактор Ф-1.

Створення реактора Ф-1 стало найбільшим досягненням радянської науки й техніки, першим етапом генерального розвитку й вирішення атомної проблеми. Це був величезний подвиг учених, інженерів, робітників, які створили перший реактор, а також працівників уранової і графітової промисловості. Отримані на реакторі невеликі кількості плутонію дозволили вивчити його хімічні властивості й розробити технологію вилучення плутонію з опроміненого урану. (10 червня 1948 року в СРСР було введено в дію промисловий ядерний реактор з виробництва плутонію, а 29 серпня 1949 року було випробувано першу радянську атомну бомбу з плутонію-239, чим було покладено край монополії США на ядерну зброю). Слід також зазначити, що експериментальні можливості першого радянського реактора Ф-1 були значно ширші, ніж в американського (повна потужність реактора Ф-1 досягала 4000 кВт, а американського не перевищувала 200 Вт).

15 грудня 1948 року неподалік від Парижа під керівництвом Ірен і Фредеріка Жоліо-Кюрі було введено в дію французький атомний реактор.

Перша у світі атомна електростанція потужністю 5000 кВт почала працювати 27 червня 1954 року в м. Обнінську під Москвою.

Із тих пір пройшло не так багато часу, але вже зараз понад 400 ядерних реакторів у 26 країнах світу виробляють більш як 300 мільйонів кіловатт електроенергії — близько 16 % всієї електроенергії на Землі, тобто більше, ніж усі гідростанції світу. У Франції АЕС виробляють понад 80 % електроенергії, в Україні — понад 50 %.

Історія оволодіння атомною енергією унікальна в багатьох відношеннях: за вагомістю проблеми, обставинами, що супроводжували її вирішення, і наслідками, які усвідомили ще далеко не всі. У науці так траплялося й раніше, що два дослідники незалежно один від одного відкривали те саме явище. Сам по собі цей факт не є дуже дивним, якщо ми віримо в об'єктивність законів природи. Але вперше трапилося так, що сотні й тисячі людей, розділені океанами, пожежею війни і стіною таємності, послідовно, крок за кроком прямували до однакових висновків, ставили й вирішували ті самі наукові, технологічні й інженерні задачі і приблизно в тій же послідовності. Тільки в 1955 році, після 15 років практично повної ізоляції, учені із 79 країн зібралися в Женеві на Першу міжнародну конференцію з мирного використання атомної енергії і змогли переконатися, що їхні незалежні вимірювання й формули збіглися з великою точністю. Начебто Книга Природи відкрилася перед усіма одночасно, а вони лише записали її письмена.

Усі фізичні процеси, що відбуваються всередині ядерного реактора, ми знаємо тепер досить детально. Щоб почалася ланцюгова реакція, фактично досить одного нейтрона. У товщі урану вони завжди є: щосекунди в 1 кг урану спонтанно відбувається поділ 7 ядер, і нейтрони, які вилітають при цьому, можуть бути "сірником", що підпалює "уранове багаття". Нейтрони, що вилетіли, перш ніж дати початок новому поколінню нейтронів, живуть у реакторі менш як тисячну частку секунди. За цей час вони встигають зазнати 114 зіткнень з ядрами вуглецю, пройти шлях, довжина якого 54 см, сповільнитися до теплових швидкостей і спричинити новий поділ ядра урану. Кількість нейтронів у реакторі наростає лавиноподібно й через кілька секунд досягає рівня, який заздалегідь задано розташуванням стрижнів-поглиначів нейтронів. У кожному кубічному сантиметрі об'єму могутнього реактора міститься приблизно півмільярда нейтронів, які завжди "перебувають у дорозі" від одного ядра урану до іншого. У цілому ж усередині корпуса реактора встановлюється деякий стаціонарний розподіл нейтронів, так зване "нейтронне поле", яке має досить складну конфігурацію. Ним можна керувати, іноді воно коливається. Це поле завжди є предметом пильної уваги фізиків і повсякденних турбот інженерів.

У цілому, незважаючи на складність фізичних процесів, що відбуваються в "атомному казані", його принципова схема виявилася надзвичайно простою. "Урановий реактор уособлює найгеніальніше й найдивовижніше досягнення науки за всю історію людства", — писав Фредерік Содді наприкінці життя, через 50 років після початку своїх дослідів з ураном.