Металлический бериллий

Энергетика

Еще в качестве замедлителя используется бериллий. Металлический бериллий – это теплопроводный легкий металл, имеющий плотность 1,8, т.е. он даже немного полегче алюминия.  Бериллий дорогой, к тому же токсичный в производстве. Тот персонал, который занят на бериллиевом производстве,имеет профессиональную болезнь бериллиоз (как у шахтеров бывает профессиональная болезнь силикоз легких) – это когда мелкодисперсной бериллиевой пылью забиваются альвеолы легких и дыхательная площадь все больше сокращается. На первых порах, когда еще не соблюдали все меры по технике безопасности (использование респираторов, наличие вентиляции и т.д.), много профессиональных больных просто умерло. Но сегодня вся техника безопасности разработана. И возникает вопрос, раз бериллий такой дорогой –  когда же его целесообразно применять? Ранее я говорил об использовании бериллия в реакторах атомных подводных лодок, т.е. прежде всего бериллий – это высокотемпературный замедлитель. Вот вода, хоть обычная, хоть тяжелая, не может рассматриваться  как высокотемпературный замедлитель, потому что вода при температуре 3000 С  требует давления уже 150 – 200 атм. А чтобы иметь высокопотенциальный реактор с температурой воды 5000 С, требуются уже закритические значения давления – 300 – 400 атм. – это уже не реалистично, поэтому ни легкая, ни тяжелая вода не могут использоваться как высокотемпературный замедлитель. А вот бериллий годится как высокотемпературный замедлитель, поэтому он был использован в реакторах атомных подводных лодок как в СССР, так и в США   (опытная подводная лодка, которая была с натрием, «Морской волк»), и он позволял в ограниченном объеме размеров реактора для подводной лодки все-таки замедлить нейтроны, хоть не до конца, не до тепловых энергий, но существенно снизить их энергию и благодаря этому уменьшить загрузку реактора 235U.

Кроме ядерной энергетики бериллий в технике вообще используется как легирующая присадка – например, бывает бериллиевая бронза, очень упругий материал, который используется для всяких пружин. Но, кроме того, бериллий нашел применение в разных областях техники благодаря высокой термостойкости, хорошей теплопроводности и малой массе, малому удельному весу. Из бериллия делают тормозные колодки сверхзвуковых истребителей, потому что при торможении выделяется огромное количество тепла и через бериллиевые колодки тепло очень хорошо рассеивается.

Кроме чистого бериллия используется также окись бериллия – ВеО, соединение бериллия с кислородом. Если бериллий – это металл, то окись бериллия – это керамика и из нее, используя те же технологические процессы как для фарфора, можно делать изделия различной формы. Но, в отличие от многих других керамик, керамика ВеО высокотеплопроводная. По замедляющим свойствам она близка к бериллию, и даже рассматривались различные проекты использовать окись бериллия в ядерных ракетных двигателях, например, потому что эта керамика может держать температуру и 30000 С, хотя, конечно, эта керамика и имеет ограниченный ресурс (и, тем более, замедляет нейтроны). Но широкого применения керамика ВеО  тоже не нашла, хотя она используется еще в термоэмиссионных элементах прямого преобразования — как электрическая изоляция, поскольку обладает очень редким сочетанием хорошей теплопроводности и очень плохой электропроводности. В других материалах, как правило, наоборот — низкой теплопроводности сопутствует и низкая электропроводность. А здесь керамика ВеО так же хорошо работает и как электрический изолятор и как проводник тепла. Т.е. для электричества это изолятор, а для тепла – это проводник – вот такое свойство имеет керамика ВеО, и вот почему она используется в этих термоэмиссионных элементах, там, где это необходимо.

И последний замедлитель – это графит. Графит, в общем, является высокотемпературным замедлителем, хотя в реакторе РБМК его температурный потенциал полностью не используется (температура графита в графитовой кладке может достигать 4000 — 5000
С). В принципе, графит может работать и при более высоких температурах, поэтому на основе графитовых матриц рассматривались активные зоны ядерных ракетных двигателей (скажем, водород продувают через отверстия через твэл, а замедлителем является графит). Графит тоже очень мало поглощает нейтроны. Гораздо больше, чем тяжелая вода, но значительно меньше, чем обычная, легкая вода, и поэтому на графите тоже можно сделать реактор на природном уране. В практике работы атомных станций такого опыта не было, но вот графитовые реакторы для производства военного плутония, где алюминий используется при низких температурах, как оболочка твэлов или каналов – такие реакторы могут работать на природном уране и работали. У графита есть одна интересная особенность – ведь графит представляет собой сложную кристаллическую структуру атомов углерода, направленную, слоистую и т.д. И в процессе работы реактора, когда нейтрон сталкивается с ядрами углерода, он их выбивает из своих, так сказать, устойчивых положений равновесия, они где-то там устраиваются между узлами кристаллической решетки и вот так же, как происходит в стали эффект радиационного упрочнения и охрупчивания  — так же нечто похожее получается и в графите – он теряет теплопроводность – из-за того, что нарушается кристаллическая структура, это раз. Под влиянием излучения он пухнет, т.е. увеличивает свой объем, поэтому срок службы графитовых кладок ограничен, потому что наступает такой период времени, когда зазоры выбираются и канал может застрять, оборваться и т.д. Но, что еще более важно, вот та кинетическая энергия нейтронов, которая пошла на то, чтобы сдвинуть атомы углерода со своих мест, она накапливается в графите, и если в течение нескольких лет производится     низкотемпературное облучение графита при температуре 400-5000 С, эта энергия накапливается все больше и больше. Поэтому, если в результате каких-то аварийных условий температура графита начинает возрастать, то вот все эти сжатые пружинки начинают распрямляться, это значит, что выделяется энергия, естественно, в виде тепла и происходит саморазогрев графита. Вот на одном из английских реакторов по этой причине произошел серьезный пожар, потому что загорелся графит, именно от собственного энерговыделения. Сначала температура поднималась медленно (когда прекратился теплоотвод), а вот когда пошла эта реакция высвобождения, т.е. когда ядра углерода стали возвращаться на свои законные места в кристаллической решетке, то эта реакция пошла с выделением большого тепла и привела к возгоранию графита. Поэтому для реакторов с графитовым замедлителем важным является поддержание температурного режима графитовой кладки. Вот на РБМК это достигается изменением соотношения между гелием и азотом в зазорах. Гелий очень хорошо проводит тепло, азот плохо.   Все тепло из графита идет через стенку канала к воде и в зависимости от времени работы происходит корректировка температурного режима кладки, которая постоянно должна поддерживаться, но на таком уровне, чтобы вот эта опасная энергия не накапливалась бы. Т.е. если температура, допустим, держится где-то градусов 600-700 (я приблизительно говорю), то накопление энергии не происходит. Атом сошел со своего равновесия и вернулся обратно, а вот если происходит холодное облучение графита, то все эти дефекты закрепляются и энергия накапливается. Что еще можно сказать о графите? Поскольку графит наихудший замедлитель по своим замедляющим свойствам среди перечисленных, то потребуется много замедлителя, большой объем, чтобы замедлить нейтроны до тепловых энергий, поэтому все графитовые реакторы имеют большой размер – большой диаметр, большую высоту (например, РБМК в два раза больше по высоте, чем ВВЭР). Т.е. можно сказать, что большие размеры — это характерная особенность графитовых реакторов,