Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

В качестве конструкционных материалов при сооружении реакторов применяются в основном алюминий, цирконий, их сплавы и нержавеющие стали.

В задачу этой книжки не входит подробное рассмотрение техники получения атомной энергии. Однако в целях лучшего уяснения тех физических принципов, на основе которых работают ядерные реакторы и которые изложены выше, расскажем кратко о некоторых советских реакторах [9].

Теоретическое и экспериментальное исследование цепной реакции в нашей стране было начато еще до Великой Отечественной войны. Были выяснены характерные особенности этого процесса, разработана теория деления ядер урана (Я. И. Френкель), открыто и изучено самопроизвольное деление этих ядер (Г. Н. Флёров и К. А. Петржак). Тогда же была разработана теория развития процесса во времени, найдены величины, от которых зависит коэффициент размножения системы с ураном и т. п. Работа продолжалась и в военное время.

Весьма разнообразные и многочисленные исследования были проведены перед постройкой первого советского ядерного реактора, явившегося также и первым реактором в Европе. Это был уран-графитовый реактор, остов которого был выложен из графитовых кирпичей размером 10×10×60 см 3. Активная зона его имела форму шара радиусом около 3 м . Отражателем нейтронов служил слой графита толщиной около 80 см , выложенный из тех же графитовых кирпичей. Кладка велась последовательно слоями в один кирпич.

В специальные вертикальные отверстия помещались стержни из металлического кадмия, предназначенные для управления реактором. Блоки из природного урана диаметром 3–4 см вкладывались также в вертикальные отверстия, высверленные в графитовых кирпичах активной зоны. После выкладки 54 слоя и извлечения управляющих стержней в реакторе началась цепная реакция, подтвердившая расчеты советских ученых.

Всего в реактор было загружено около 45 т природного урана и несколько сот тонн графита. В реакторе не был предусмотрен специальный теплоноситель, но за счет большой теплоемкости самой системы кратковременно удавалось поднимать мощность реактора до нескольких тысяч киловатт.

Пуск первого ядерного реактора имел фундаментальное значение для советской науки. Была доказана возможность осуществления цепной реакции с природным ураном и графитовым замедлителем. Опытные данные, полученные при работе с этим реактором, позволили уточнить теоретические расчеты и перейти к постройке других более совершенных реакторов.

Одним из таких реакторов явился реактор РФТ, специально предназначенный для экспериментальных физических и технических исследований. Введенный в эксплуатацию в апреле 1952 г., он безотказно работает и в настоящее время. Это — гетерогенный реактор на обогащенном металлическом уране с 15-процентным содержанием легкого изотопа 235; тепловая мощность его 10 тыс. квт .

Урановые блоки или стержни, называемые обычно тепловыделяющими элементами, выполнены в виде труб с внутренней и внешней оболочками из алюминиевого сплава (рис. 44, а ). Тепловыделяющие элементы в свою очередь вставлены в широкие алюминиевые трубы. В собранном виде такая система (рис. 44, б ) представляет собой рабочий канал ядерного реактора. Замедлителем служит графит и вода, которая циркулирует в рабочих каналах.

В процессе работы реактора выделяется энергия. Поэтому рабочие каналы нагреваются. Охлаждение производится с помощью дистиллированной воды, прогоняемой насосами через рабочие каналы и каналы охлаждения отражателя. Нагретая вода охлаждается в теплообменниках речной водой. В рабочий канал дистиллированная вода входит сверху, течет по кольцевому зазору между трубой канала и внешней поверхностью тепловыделяющего элемента и поднимается вверх по центральному каналу. Такое обтекание водой тепловыделяющего элемента обеспечивает хороший отвод тепла.

Для защиты обслуживающего персонала от вредного действия нейтронного и радиоактивного излучений реактор окружен со всех сторон биологической защитой. Она состоит из железного корпуса толщиной 2,5 см , окруженного бетонной стеной толщиной 3,2 м . Для защиты верхней части реактора имеется дополнительный слой графита толщиной 1,5 м и слой свинца 0,4 м . Кроме того, сверху реактор закрыт чугунной плитой толщиной 20 см .

Управление реактором производится целой системой поглощающих стержней, приводимых в движение ручным и автоматическим способом. Сигналы для автоматического передвижения стержней поступают от ионизационных камер. Для экстренного выключения реактора служат два аварийных кадмиевых стержня, расположенных в боковом отражателе. Стержни опускаются в крайнее нижнее положение за 0,4 секунды, надежно защищая реактор в случае каких-нибудь неисправностей в системе охлаждения и при выключении электрического тока.

Ядерный реактор РФТ сыграл важную роль в развитии советского реакторостроения.

Большой опыт по проектированию, постройке и эксплуатации ядерных реакторов, а также обширные исследования, выполненные на реакторе РФТ, послужили основой для создания ядерного реактора первой в мире атомной электростанции СССР. Это — первый энергетический реактор. По принципу своего действия он принадлежит к типу гетерогенных реакторов, работающих на тепловых нейтронах с замедлителем из графита. Тепловая мощность реактора, вертикальный разрез которого приведен на рис. 45, составляет 30 тыс. квт .

Конструктивную основу (остов) реактора составляет цилиндрическая графитовая кладка, центральная часть которой диаметром 1,5 м и высотой 1,7 м является активной зоной. Эта зона показана на рис. 45. Остальная часть графитовой кладки, окружающая активную зону со всех сторон, является отражателем нейтронов. Кладка заключена в стальной кожух, приваренный к нижней стальной плите. Сверху кладка закрыта массивной чугунной плитой. Кожух вместе с нижней и верхней плитами образует герметически закрытый объем, который во избежание выгорания графита заполняется при работе реактора инертным газом (гелием или азотом).