Ядерные реакторы

Эти ε нейтронов будут терять свою энергию в замедлителе, и если они не успеют стать тепловыми до встречи с ядрами урана²³⁸, то последние могут их захватить: эти нейтроны потеряются. Обозначим долю нейтронов, избежавших такого захвата в уране²³⁸, через φ. Так как всегда некоторое число нейтронов захватится тяжелым изотопом, то, очевидно, величина φ будет меньше единицы. Таким образом, останется εφ свободных нейтронов. Эти нейтроны имеют скорость, близкую к тепловой, и поэтому могут весьма активно производить деление ядер урана²³⁵. Однако часть тепловых нейтронов поглощается замедлителем, регулирующими стержнями из кадмия или бористой стали или просто различными примесями. Обозначим через Θ ту долю тепловых нейтронов, которая поглотится ядрами урана²³⁵ и произведет их деление; при этом появляется η новых нейтронов. В результате всех процессов в реакторе каждый быстрый нейтрон будет давать в среднем K=εφθη вторичных нейтронов.

Произведение φθ всегда меньше единицы. Если в качестве замедлителя применяется тяжелая вода, то в случае природного урана φθ примерно равно 0,9. Если учесть, что ε=1,03 и η≈1,33, то получим для ядерного реактора на тяжелой воде следующее максимальное значение для коэффициента размножения:

K= 1,03∙0,9∙1,33=1,22.

Для графитового реактора φθ примерно равно 0,79, и поэтому коэффициент размножения значительно меньше: K≈1,07.

В работающем ядерном реакторе непрерывно происходит деление ядер урана²³⁵. Накапливающиеся в урановых блоках «осколки» деления также поглощают тепловые нейтроны, а это приводит к тому, что значение коэффициента размножения довольно быстро падает.

Чтобы избежать частой замены урановых блоков, в урановом котле с графитовым замедлителем выгоднее применять уран обогащенный — с содержанием 1–1,5 процента урана²³⁵.

Все приведенные значения коэффициентов размножения относятся к котлам неограниченных размеров. На самом деле величина коэффициента размножения несколько меньше, если учесть утечку нейтронов через наружную поверхность.

Для уменьшения выхода нейтронов за пределы реактора применяются отражатели. В качестве отражателя нейтронов может быть использован тот же графит. Нейтроны, сталкиваясь с ядрами углерода, частично отражаются обратно в так называемую активную зону реактора, где участвуют в цепном процессе.

Однако значительная часть нейтронов все же выходит наружу. Для защиты людей от очень вредного нейтронного и радиоактивного излучения ядерный реактор окружают толстой бетонной стеной толщиной 1,5–2,5 метра.

Мы знаем, что в природном уране необходимо учитывать два конкурирующих процесса: деление ядер урана²³⁵ и захват нейтронов ядрами урана²³⁸. От того, какой из процессов сильнее, зависит возможность осуществления цепной реакции. Если преобладает поглощение нейтронов, реакция не может поддерживаться, как, например, в природном уране, в случае непосредственного использования быстрых нейтронов деления. Здесь процесс может идти только при использовании медленных нейтронов, или, как говорят, на медленных нейтронах. Но при замедлении нейтроны не сразу приобретают тепловую скорость. Если замедлителем является, например, графит, то, чтобы стать тепловыми, нейтроны должны испытать в среднем 110 соударений. За это время их могут поглотить ядра урана²³⁸, и поэтому в однородной смеси природного урана с графитом цепной процесс осуществить нельзя.

Гомогенные реакторы. Очень эффективным замедлителем является тяжелая вода. В каждом соударении с ядром тяжелого водорода нейтрон теряет значительную энергию, и уже после 18–20 соударений скорость его так мала, что вероятность его поглощения ядром урана²³⁸ незначительна. Такой нейтрон очень активно производит деление ядер урана²³⁵. Поэтому цепной процесс возможен даже в однородной смеси природного урана с тяжелой водой.

Такой гомогенный реактор (рис. 17) состоит из бака с тяжелой водой, в которой растворены урановые соли. Для уменьшения размеров реактора бак окружают слоем отражателя, снижающего утечку нейтронов наружу. Управление котлом, как обычно, производится с помощью стержня из кадмия.

Рис. 17. Схема гомогенного ядерного реактора на тяжелой воде. В растворе урана в тяжелой воде идет цепной процесс. Вода нагревается и дает пар высокого давления

Если применять уран с большим содержанием легкого изотопа (обогащенный уран), то в гомогенном реакторе может применяться и другой замедлитель. Расчеты показывают, что можно изготовить реактор, состоящий из 15 литров простой воды и одного килограмма солей урана²³⁵.

Забегая несколько вперед, нужно отметить, что реактор с тяжелой или простой водой является одновременно паровым котлом. Вода в нем непрерывно нагревается и может давать пар высокого давления. Температуру воды и давление пара можно сравнительно легко регулировать с помощью кадмиевых стержней.