Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Общее число нейтронов можно легко подсчитать, если вспомнить, что такое коэффициент размножения нейтронов.

Читатель знает, что если в нашей системе урана с графитом появилось N 0нейтронов, то эти нейтроны, совершая новые деления, создадут еще N 0 K нейтронов, где K — коэффициент размножения. В свою очередь эти N 0 K нейтронов дадут новых N 0 K 2нейтронов и т. д. В конечном счете вместо N 0нейтронов мы получим бесконечное число поколений новых нейтронов:

Сумма нейтронов всех поколений даст нам общее число нейтронов, полученное в результате появления в системе N 0нейтронов, причем так как коэффициент размножения меньше единицы, то число нейтронов каждого последующего поколения меньше предыдущего (цепной процесс не идет).

Читатель, окончивший среднюю школу, конечно, знает эти числа: это члены бесконечно убывающей геометрической прогрессии. Сумма всех членов бесконечной убывающей прогрессии равна: .

Не следует думать, что это число нейтронов получается за бесконечно большое время. Скорость нейтронов очень велика, и большое число поколений нейтронов будет рождаться в миллионные доли секунды. За это же время количество нейтронов возрастает до величины, близкой к сумме бесконечно убывающей прогрессии.

Таким образом, система, состоящая из урана или урана с графитом, является умножителем нейтронов. Если мы впустим в нее N 0нейтронов, то в ней получается большее число нейтронов (при K <1). В том случае когда коэффициент размножения очень мал, то есть когда количество урана невелико, размножения нейтронов не происходит и N≈N 0. Но когда размер системы близок к критическому, коэффициент размножения немного меньше единицы и число нейтронов резко возрастает. Так, при K =0,9 в уране рождается нейтронов в 10 раз больше начального количества. Если K= 0,99, то первоначальный поток нейтронов увеличивается в 100 раз, если K =0,999, то — в 1000 раз, и т. д. Когда система становится критической, то уже один нейтрон вызывает их бесконечное множество. Теперь нам уже ясно, как экспериментально определяли советские ученые радиус урано-графитового шара, при котором начинается цепной процесс. Они измерили коэффициент размножения для четырех шаровых моделей различных радиусов.

Ученые вносили в эти шары источник, излучающий известное число нейтронов. Определяя ионизационной камерой число нейтронов, полученных внутри шара, можно было просто найти коэффициент размножения. Таким образом было определено четыре возрастающих значения коэффициента размножения для разных радиусов шаровых моделей. Отсюда уже можно было достаточно точно сказать, при каком радиусе системы коэффициент размножения станет равным единице.

В соответствии с расчетами и экспериментами физики решили строить реактор в виде сферы радиусом в три метра.

Первые слои графитовых кирпичей не имели отверстий для урановых блоков и предназначались для отражения нейтронов. После восьми таких слоев начали складывать активную зону, вставляя в отверстия графитовых кирпичей урановые блоки. Этот момент запечатлен на рис. 23.

Увеличение размеров реактора осуществлялось последовательной укладкой графитовых кирпичей слоями толщиной 10 сантиметров. При этом велось тщательное наблюдение за увеличением нейтронного потока. Рост числа нейтронов вначале происходил очень медленно, но при приближении активной зоны к критическим размерам нейтронный поток быстро возрастал.

При строительстве реактора не обошлось без неприятных переживаний. Измерения, проведенные после укладки очередного слоя, неожиданно показали, что коэффициент размножения слишком мало вырос. Творцам первого советского реактора пришлось пережить много тревожных минут. «Неужели, — думали они, — расчеты и эксперименты были ошибочными и в действительности коэффициент размножения не будет больше единицы?» Это означало, что рушилась надежда ученых на осуществление цепного процесса в природном уране и графите.

К счастью, такая неуверенность длилась недолго. После укладки пятидесятого слоя стало ясно, что на пятьдесят пятом слое реактор достигнет критических размеров и начнется ожидаемая цепная ядерная реакция. На самом деле цепная реакция возникла уже при укладке пятьдесят четвертого слоя.

Первый советский ядерный реактор начал работать. Он оказался также и первым реактором в Европе.

Трудно передать то волнение, которое охватило участников строительства при пуске реактора. Был совершен подвиг, значение которого трудно переоценить. Наша Родина овладела атомной энергией. Это был торжественный момент. Ученые горячо поздравляли друг друга с решением великой проблемы — получением атомной энергии.

Активная часть первого советского реактора (рис. 24) представляла собой сферу диаметром около шести метров. Отражатель нейтронов имел толщину 80 сантиметров и состоял из тех же графитовых кирпичей. Всего в ядерный реактор было загружено приблизительно 45 тонн природного урана и несколько сот тонн графитовых кирпичей. Управление реактором производилось с помощью кадмиевых стержней.

Для размещения реактора было построено специальное здание, разрез которого приведен на рис. 25. Сам реактор был собран в бетонированном котловане ниже уровня земли. В первом советском реакторе не было предусмотрено специальное охлаждение, поэтому установка могла лишь кратковременно работать с мощностью в несколько тысяч киловатт.

Когда был пущен первый советский реактор, оказалось, что экспериментаторам приходится иметь дело с потоком нейтронов, во много раз превышающим потоки всех других источников нейтронов. Этого опасались, так как тогда еще было мало известно о вредном действии больших нейтронных потоков. Поэтому мощность реактора поддерживалась на ничтожно малом уровне. Впоследствии пульт управления реактором был перенесен в коридор, который находился под землей и потому оказался более защищенным от падавшего сверху излучения нейтронов. После этого мощность реактора была значительно повышена.