Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Таким образом, изменяя коэффициент размножения вблизи значения единицы, мы можем постепенно ускорять или замедлять развитие цепного процесса, то есть управлять скоростью выделения атомной энергии, получающейся при делении урана.

Простейший ядерный реактор.Аппарат, в котором осуществляется управляемый цепной процесс деления, называется ядерным реактором.

Принцип действия ядерного реактора очень прост (рис. 15). Можно взять, например, кусок урана в виде полого короткого цилиндра с таким расчетом, чтобы его вес был близок к критическому. В этом случае коэффициент размножения будет близок к единице. Если постепенно вдвигать в полость цилиндра урановый стержень, то вследствие уменьшения утечки нейтронов через полость коэффициент размножения будет расти и при определенном положении стержня он может стать несколько больше единицы. Нужно только помнить, что коэффициент размножения не должен превышать 1,01, так как при больших его значениях ядерный процесс будет определяться мгновенно вылетающими нейтронами, реактор может выйти из управления и произойдет атомный взрыв. При коэффициенте размножения больше единицы начнет развиваться цепная реакция и возрастать количество выделяющейся энергии. При достижении нужной мощности, изменяя положение уранового стержня, можно добиться такого состояния, при котором коэффициент размножения будет равен единице. Тогда в ядерном реакторе будет выделяться постоянная во времени атомная энергия. Урановый цилиндр будет нагреваться, и выделяющееся в такой атомной «печи» тепло может быть использовано для различных целей.

Однако, как мы уже говорили, для осуществления такого рода цепного процесса необходимо из ядерного горючего реактора удалить значительную часть урана 288. Движущиеся нейтроны сталкиваются с его ядрами и, постепенно теряя свою скорость, в конце концов поглощаются ими.

Медленные нейтроны.Цепной процесс может возникнуть и в природном уране, но на медленных нейтронах.

Что же такое медленные нейтроны?

Молекулы различных газов находятся в непрерывном хаотическом движении. Скорость этого движения зависит от температуры. Но даже при нормальной температуре она довольно велика. Например, молекулы кислорода или азота, из которых состоит воздух, двигаются хаотически в различных направлениях со скоростями порядка 500–600 метров в секунду. Такие скорости называются тепловыми скоростями, а нейтроны, обладающие такими скоростями, — тепловыми, или медленными, нейтронами. Медленные нейтроны легко захватываются ядрами урана 235и с колоссальной активностью производят их деление.

Очень существенным является также то, что эти тепловые нейтроны относительно слабо поглощаются ядрами урана 238. Поэтому на медленных нейтронах цепной процесс может идти и в природном уране. Замедляются нейтроны довольно просто, примерно так же, как бильярдные шары, ударяющиеся друг о друга. Если движущийся шар ударится о неподвижный, то он всегда теряет часть своей энергии. Иногда при так называемом лобовом ударе движущийся шар потеряет всю свою энергию. Он остановится, а пойдет вперед шар, бывший ранее неподвижным. Но большей частью при косом ударе оба шара будут двигаться с меньшей скоростью. Законы механики говорят нам, что наибольшая потеря энергии будет при столкновении с шаром равной массы. В среднем в каждом таком столкновении шар будет терять половину своей энергии.

Так же как и бильярдные шары, замедляются и нейтроны при столкновении с легкими ядрами. После ряда столкновений нейтроны растрачивают свою энергию, и их скорость становится тепловой, соответствующей скорости молекул замедлителя, то есть вещества, замедляющего нейтроны. В качестве замедлителя можно взять, например, простую воду, содержащую легкие ядра водорода, масса которых примерно равна массе нейтрона. Однако эти ядра не только замедляют движение нейтрона, но и легко их поглощают. А это невыгодно. Поэтому в большинстве случаев в качестве замедлителя используется не простая, а тяжелая вода, в которой легкий водород заменен тяжелым изотопом — дейтерием, слабо поглощающим нейтроны. Хорошим замедлителем является также графит (модификация углерода). Замедление нейтронов в графите идет медленнее, чем в тяжелой воде. Ядра углерода тяжелее ядер дейтерия, и нейтрон при столкновении теряет меньшую часть своей скорости. Но ядра углерода, так же как и ядра дейтерия, почти не поглощают нейтронов.

Гетерогенные реакторы.В однородной (гомогенной) смеси природного урана с замедлителем не всегда можно осуществить цепной процесс.

Нейтроны теряют свою скорость в замедлителе постепенно и обычно в результате большого числа столкновений становятся тепловыми. Когда слабо замедлившийся нейтрон встретит на своем пути ядро урана 238, то произойдет его поглощение.

Как же уменьшить захват нейтронов ядрами урана 238?

Если применять в качестве замедлителя графит, то никаким увеличением количества урана и размеров реактора не удастся довести коэффициент размножения до единицы. Следовательно, надо удалить ядра урана 238из зоны, где происходит замедление нейтронов. Поэтому ядерные реакторы, использующие природный уран и графит, изготовляются в виде гетерогенной (неоднородной) смеси урана и замедлителя. В этих реакторах обычно уран в виде стержней (блоков) чередуется с чистым графитом (рис. 16).

Диаметр урановых стержней должен быть рассчитан так, чтобы нейтроны, получающиеся при делении, не испытывали много столкновений в уране. В противном случае уран 238может опять поглотить большое число нейтронов. Обычно урановые стержни имеют диаметр не больше трех — четырех сантиметров.

Предположим, что в одном из урановых блоков произошло деление ядра урана 235. При этом выделились три нейтрона. У этих нейтронов может быть различная судьба.

Один из нейтронов может испытать большое число столкновений с ядрами замедлителя и, теряя в каждом столкновении часть своей скорости, придет в другой урановый блок с очень малой тепловой скоростью. Такой нейтрон при столкновении с ядром урана 238имеет очень небольшие шансы им поглотиться: он просто отскочит от этого ядра, как резиновый мячик от тяжелой стены. Ведь ядро урана в 238 раз тяжелее нейтрона. Тепловой нейтрон после ряда столкновений с ядрами тяжелого изотопа в конце концов в том или другом урановом стержне встретится с ядром урана 235и произведет его деление. При этом выделятся опять два или три новых нейтрона.