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!
191
200397
  • 1. Свободнопоршневой двигатель Стирлинга работает от нагревания «атомным паром» 2. Индукционный генератор дает около 2 Вт электроэнергии для питания лампы накаливания 3. Характерное голубое свечение — это черенковское излучение электронов, выбитых из атомов гамма-квантами. Может служить в качестве отличного ночника!
    1. Свободнопоршневой двигатель Стирлинга работает от нагревания «атомным паром» 2. Индукционный генератор дает около 2 Вт электроэнергии для питания лампы накаливания 3. Характерное голубое свечение — это черенковское излучение электронов, выбитых из атомов гамма-квантами. Может служить в качестве отличного ночника!
  • Для детей от 14 лет Юный исследователь сможет самостоятельно собрать пусть и маленький, но настоящий ядерный реактор, узнать, что такое мгновенные и запаздывающие нейтроны, и увидеть динамику разгона и торможения цепной ядерной реакции. Несколько простых опытов с гамма-спектрометром позволят разобраться с наработкой различных продуктов деления и поэкспериментировать с воспроизводством топлива из модного ныне тория (кусочек сульфида тория-232 прилагается). Входящая в комплект книга «Основы ядерной физики для самых маленьких» содержит описание более 300 опытов с собранным реактором, так что простор для творчества огромен
    Для детей от 14 лет Юный исследователь сможет самостоятельно собрать пусть и маленький, но настоящий ядерный реактор, узнать, что такое мгновенные и запаздывающие нейтроны, и увидеть динамику разгона и торможения цепной ядерной реакции. Несколько простых опытов с гамма-спектрометром позволят разобраться с наработкой различных продуктов деления и поэкспериментировать с воспроизводством топлива из модного ныне тория (кусочек сульфида тория-232 прилагается). Входящая в комплект книга «Основы ядерной физики для самых маленьких» содержит описание более 300 опытов с собранным реактором, так что простор для творчества огромен
  • Исторический прототип Набор Atomic Energy Lab (1951) давал возможность школьникам приобщиться к самой передовой области науки и технологии. Электроскоп, камера Вильсона и счетчик Гейгера-Мюллера позволяли провести множество интереснейших опытов. Но, конечно, не настолько интересных, как сборка действующего реактора из российского набора «Настольная АЭС»!
    Исторический прототип Набор Atomic Energy Lab (1951) давал возможность школьникам приобщиться к самой передовой области науки и технологии. Электроскоп, камера Вильсона и счетчик Гейгера-Мюллера позволяли провести множество интереснейших опытов. Но, конечно, не настолько интересных, как сборка действующего реактора из российского набора «Настольная АЭС»!

В 1950-х годах, с появлением атомных реакторов, перед человечеством, казалось бы, замаячили блестящие перспективы решения всех энергетических проблем. Инженеры-энергетики проектировали атомные электростанции, судостроители — атомные электроходы, и даже автоконструкторы решили присоединиться к празднику и использовать «мирный атом». В обществе возник «атомный бум», и промышленности стало не хватать квалифицированных специалистов. Требовался приток новых кадров, и была развернута серьезная образовательная компания не только среди студентов университетов, но и среди школьников. Например, A.C. Gilbert Company выпустила в 1951 году детский набор Atomic Energy Lab, содержащий несколько небольших радиоактивных источников, необходимые приборы, а также образцы урановой руды. Этот «наисовременнейший научный набор», как было написано на коробке, позволял «юным исследователям провести более 150 захватывающих научных экспериментов».

Кадры решают все

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.

Примечание редакции: данная статья опубликована в апрельском номере журнала и является первоапрельским розыгрышем.

Атомное строительство

  • Заливка корпуса дистиллированной водой — заключительный этап сборки самой АЭС. После этого остается только обеспечить биологическую защиту, и реактор готов к запуску
    Заливка корпуса дистиллированной водой — заключительный этап сборки самой АЭС. После этого остается только обеспечить биологическую защиту, и реактор готов к запуску

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.

Схема микрореактора РКИЕ-2

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, так что он не требует принудительного охлаждения.

Биологическая защита

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.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№114, апрель 2012).

Комментарии

191 комментарий