Характеристика проблемы в целом

 

7.18. В главе II мы пытались дать общую характеристику проекта по урану, как он представлялся летом 1940 г. Теперь мы хотим дать точное определение задачи проектирования промышленной установки для производства плутония. Принятием решения об объеме производства, типе установки и месте ее расположения проект в общем был определен. Задача состояла в конструировании охлаждаемого водой котла с графитовым замедлителем (или нескольких таких котлов) в сочетании с химической разделительной установкой для производства установленного, относительно большого количества плутония, причем установка должна была быть построена в Хэнфорде на реке Колумбии. Незачем говорить, что скорость строительства и эффективность эксплоатации были при этом главными соображениями.

 

ТИП РЕШЕТКИ

 

7.19. Решетки, описанные нами ранее, состояли из блоков урана, расположенных в графитовом замедлителе. При применении этих решеток в производственных установках, возникают следующие затруднения: во-первых, трудно удалять уран без разборки котла, во-вторых, трудно осуществлять охлаждение блоков урана, которые являются центрами выделения тепла. Оба эти затруднения можно устранить, применив вместо точечной решетки стержневую, и концентрировать, следовательно, уран вдоль линий, проходящих через замедлитель, а не распределять его в отдельных точках. Совершенно ясно, что стержневое расположение удовлетворительно с механической и инженерной точек зрения, но можно было сомневаться в том, что и для стержневой решетки коэффициент размножения будет все еще больше единицы. Эта проблема встала перед физиками-теоретиками и экспериментаторами. Физики-теоретики должны были определить путем расчета оптимальный диаметр урановых стержней и расстояния между ними, а экспериментаторы — провести экспоненциальные эксперименты с решетками такого типа для проверки выводов теоретической группы.

 

РАЗГРУЗКА И ЗАГРУЗКА

 

7.20. Как только была принята решетка с цилиндрической симметрией, стало очевидно, что можно, не разбирая котла, разгружать и загружать уран, вынимая его из цилиндрических каналов в графитовом замедлителе и вкладывая туда последующие партии металла. Выбор нужно было сделать между длинными урановыми стержнями, представляющими преимущества с точки зрения физики ядра и относительно короткими цилиндрическими столбиками, удобными в обращении. В обоих случаях материал обладал столь высокой радиоактивностью, что как разгрузка, так и все операции с выгруженным ураном должны были производиться при помощи управления на расстоянии из-за защитного укрытия.

 

ВОЗМОЖНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

КОРРОЗИЯ

 

7.21. Если в качестве охладителя применяется вода, то она должна быть направлена в те области, где выделяется тепло, по особым каналам. Так как графитовые трубы непрактичны, то должны применяться трубы из других материалов. Ядерная физика ограничивает выбор материала для труб и других устройств котла. Трубы должны быть сделаны из такого материала, у которого поперечное сечение поглощения нейтронов не настолько велико, чтобы сделать k меньшим единицы. Материал труб не должен, кроме того, разрушаться под действием большой плотности нейтронного и γ -излучений, имеющих место в котле. Наконец, труба должны удовлетворять всем обычным требованиям, предъявляемым к трубам охладительных систем: они должны не давать утечек, не корродировать и не коробиться.

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.

 

ЗАЩИТА УРАНА ОТ КОРРОЗИИ

 

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.

 

СНАБЖЕНИЕ ВОДОЙ

 

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.

 

УПРАВЛЕНИЕ И ПРИБОРЫ

 

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.

 

ЗАЩИТА

 

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.

 

ОБСЛУЖИВАНИЕ

 

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.

 

ГРАФИК ЗАГРУЗКИ И РАЗГРУЗКИ

 

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.

 

РАЗМЕРЫ УСТАНОВКИ

 

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.