Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Зарубежные ядерные реакторы.Из реакторов, построенных за рубежом, наибольшее число находится в Соединенных Штатах Америки. Мощные установки используются для получения плутония, идущего на изготовление атомного оружия, более малые — для исследовательских целей. Несомненный, правда исторический, интерес представляет первый ядерный реактор CP-1, поперечный разрез которого приведен на рис. 38.

Реактор представляет собой большой куб с основанием 9×9 метров и высотой 6 метров. Куб сложен из графитовых блоков квадратного сечения со стороной 104 миллиметра и длиной 415 миллиметров. Часть внутренних блоков имеет отверстия, в которые вставлены цилиндрические урановые блоки диаметром 56 миллиметров. Отражатель состоит также из графитовых брусков. Его толщина 300–400 миллиметров. Всего в реактор было заложено 6 тонн металлического природного урана, 40 тонн окиси урана и 385 тонн графита. Радиоактивные излучения поглощались полутораметровой бетонной стеной. Регулировка цепного процесса производилась пятью бронзовыми кадмированными стержнями. В реакторе CP-1 не был предусмотрен принудительный отвод тепла, поэтому его мощность не превышала 100–200 ватт. Общий вес реактора — 1400 тонн. Но дело, конечно, не в мощности первого американского реактора. На этом реакторе в 1942 году была осуществлена первая в мире цепная реакция.

Ядерный реактор был сооружен на теннисных кортах стадиона Чикагского университета и испытывался в присутствии выдающихся физиков К. Комптона, Э. Ферми и Э. Вигнера.

Сейчас мы считаем уже обычным то, что произошло в 1942 году на теннисном корте. По мере удаления из реактора регулирующих стержней счетчик отмечал увеличение числа нейтронов, производимых аппаратом. Количество нейтронов быстро возрастало. И наконец бешеный темп счетчика показал, что первая цепная реакция была искусственно осуществлена учеными. Это была крупная победа. Человек приступил к освоению атомной энергии.

Однако этот и последующие реакторы США не были применены для мирного использования атомной энергии. Исследования, проведенные на первом американском реакторе, позволили построить большие реакторы в Штате Колумбия (Хенфорд), где получается плутоний для изготовления атомного оружия.

Следует, пожалуй, остановиться еще на одном американском гетерогенном реакторе — реакторе типа «погруженный в воду» (рис. 39).

Он был построен в штате Теннеси (Ок-Ридж) в 1951 году. Реактор состоит из бетонного бассейна, наполненного простой водой, размером 4,3×5,5 метра и глубиной 6,7 метра. Активная зона представляет собой решетку, заполненную 12–16 стержнями из обогащенного урана. Содержание урана 235достигает 50 процентов. В каждом стержне примерно 40 граммов урана 235. Цепной процесс начинается, когда масса урана 235достигает 2,4 килограмма. В качестве отражателя применен слой окиси бериллия толщиной 10 сантиметров. Активная решетка со стержнями опускается в воду на глубину 5 метров. Как видно из описания, в качестве замедлителя применяется обычная вода, с помощью которой также отводится тепло, развиваемое активной зоной. Мощность реактора 100 киловатт. Этот реактор применяется как источник нейтронов для физических исследований.

На обычной воде и обогащенном уране работает также более мощный реактор STR (рис. 40), являющийся прототипом реактора, использованного впоследствии американцами на подводной лодке «Наутилус». Он был построен в штате Айдахо (Арко) в 1953 году прямо в модели корпуса подводной лодки. Подробных данных об этом реакторе нет. Известно только, что он гетерогенный и в нем используются медленные нейтроны. Полезная мощность реактора больше 12 тысяч киловатт, и для его охлаждения применяется поток воды в количестве 500 кубических метров в час.

В США построены также гомогенные реакторы типа «водяной кипятильник». Один из таких реакторов (НУРО) приведен на рис. 41. Он предназначен для физических исследований, и его мощность не больше 6 киловатт. В сфере из нержавеющей стали помещен раствор урановой соли на обычной воде. В растворе содержится 870 граммов урана 235и 5500 граммов урана 238. Цепной процесс начинается при 810 граммах урана 235. В качестве отражателя применяется окись бериллия и графит. Защита от излучения изготовлена из свинца и бетона. Регулировка осуществляется с помощью кадмиевых стержней.

Несомненный интерес представляет собой американский реактор EBR — экспериментальный размножающий реактор. Он построен в штате Айдахо (Арко) на станции по испытанию реакторов. Общий вид реактора приведен на рис. 42. Реактор работает на быстрых нейтронах. Активная зона реактора имеет размер футбольного мяча и состоит из чистого урана 235. Эта зона окружена толстым слоем естественного урана, который поглощает нейтроны, выходящие из активной зоны. Благодаря этому во внешнем слое образуется новое ядерное горючее — плутоний 239. Отвод тепла осуществляется с помощью натриево-калиевого сплава. Жидкий сплав обтекает сначала зону воспроизводства ядерного горючего из естественного урана, а затем попадает в центральную активную зону. Мощность реактора может быть доведена до 1400 киловатт.

Исследования, проведенные на этом реакторе, показали, что коэффициент воспроизводства на экспериментальном размножающем реакторе (EBR) еще недостаточно высок и приблизительно равен единице, то есть на каждое разделившееся ядро урана 235в среднем получается одно ядро плутония 239. Опыты показали, что, если улучшить конструкцию зоны, заполненной естественным ураном, так, чтобы уменьшилась бесполезная утечка нейтронов, коэффициент воспроизводства может вырасти до 1,3. В этом случае размножающий реактор уже дает возможность накапливать запасы ядерного горючего для работы других реакторов.