Атомный конструктор: Реактор на столе!

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!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.Сборка активной зоны и корпуса реактора — самая ответственная операция. Крышка «захлопывается» замком с усилием открывания 500−700 кгс (таковы требования безопасности). Производитель также рекомендует проветривать помещение с макетом АЭС и проводить его тщательную влажную уборку после каждого запуска реактора, а также использовать во время всех опытов защитные костюмы и респираторы. Но это скорее часть антуража и требования официальных инстанций, чем реальная необходимость.
Медленное удвоение
Реактор имеет очень низкий коэффициент размножения нейтронов- 1,002 (с учетом запаздывающих нейтронов). Удвоение мощности происходит за 20 секунд — достаточно, чтобы можно было вовремя остановить реакцию. У настоящего реактора такой малый запас реактивности приведет к малому времени работы: выгорание плутония сделает цепную реакцию невозможной. Но при мощности 200 Вт на выгорание всего 0,1% плутония уйдет два года непрерывной работы. Стоимость утилизации реактора производителем входит в цену набора.
РКИЕ-2 - кипящий реактор с водным замедлителем и регулирующим стержнем из карбида бора.
1) Двигатель Стирлинга
2) Катушка генератора
3) Радиатор охлаждения
4) Паропроводные трубки
5) Плутониевые стержни в циркониевой оболочке
6) Корпус активной зоны из нержавеющей стали
7) Корпус реактора из высокопрочного закаленного стекла
8) Дистиллированная вода
9) Крышка корпуса с гермовводами
10) Регулирующий стержень из карбида бора
Совершенно безопасен!
Реактор имеет двойную систему естественной безопасности. Во-первых, стержни изготовлены из металлического плутония и окружены прочной циркониевой оболочкой. При нагреве свыше 122 °C плутоний претерпевает фазовый переход с резким изменением плотности (с 19,8 до 17,8 г/см3), критичность сборки теряется и реакция останавливается. Плутоний при этом растрескивается, но оболочка сохраняет целостность. Во-вторых, повышение давления пара внутри корпуса реактора в конце концов приведет к срыву крышки корпуса. При этом внутрь реактора попадает значительное количество раствора борной кислоты, который моментально гасит реакцию. Тепловая мощность реактора в нормальном режиме работы составляет всего 100 — 200 Вт, что он не требует принудительного охлаждения.
Корпус реактора помещается в аквариум, который необходимо наполнить раствором борной кислоты (1 кг которой входит в комплект, хотя ее можно купить в любой аптеке или магазине химреактивов). Бор — отличный поглотитель нейтронов и поэтому защищает юного атомщика от опасного нейтронного излучения. Примечание : данная статья опубликована в апрельском номере журнала "Популярная механика" и является первоапрельским розыгрышем.