Ядерные реакторы

Вы, вероятно, наблюдали, как быстро летящая муха прорывает паутину, расставленную пауком. Муху спасает только ее скорость, ее энергия. Муха, летящая медленно, безнадежно застревает в паутине. Эта аналогия довольно правильно отражает поведение различных нейтронов в веществе. Медленный нейтрон долгое время находится вблизи ядра, в области действия ядерных сил, и поэтому имеется большая вероятность его поглощения: он может быть захвачен ядерными силами даже тогда, когда проходит на некотором расстоянии от ядра. Поглощение же быстрого нейтрона не всегда происходит даже при его столкновении с ядром. Таким образом, если цепной процесс будет идти на более быстрых нейтронах, то тем самым значительно уменьшатся бесполезные потери нейтронов. Поглощение быстрых нейтронов в уране²³⁵, замедлителе и примесях в десятки раз меньше, чем медленных. Но в природном уране цепной процесс на быстрых нейтронах, как мы уже знаем, идти не может. Поэтому в реакторах на быстрых нейтронах, которые предназначены для восстановления ядерного горючего, должен применяться уран с большим содержанием урана²³⁵.

Такой реактор называется размножающим (бридерным), и состоит он обычно из центральной части (ядра реактора) и оболочки (рис. 20).

Рис. 20. Схема размножающего реактора на быстрых нейтронах. Цепной процесс идет в центральной части реактора. Во внешних блоках происходит образование искусственного ядерного горючего — плутония²³⁹ или урана²³³

Цепной процесс происходит в центральной части реактора, которая должна состоять из сплава урана, обогащенного легким изотопом, с каким-либо тяжелым металлом, слабо поглощающим нейтроны. Таким разбавителем может быть свинец или висмут. Объем центральной части должен быть рассчитан так, чтобы при его заполнении вес уранового сплава был немного меньше критического. Регулировка процесса может производиться добавлением небольшого количества сплава, приводящего систему в критическое состояние. В этом состоянии, как уже нам известно, один из нейтронов деления вызывает еще одно деление, то есть коэффициент размножения равен единице.

При работе такого реактора поглощение нейтронов невелико. Значительная часть их выходит из центральной части реактора и поглощается в оболочке, состоящей из урана²³⁸ или тория²³². При достаточно толстой оболочке выход нейтронов из реактора практически отсутствует.+

В оболочке нейтроны поглощаются ядрами урана²³⁸ или тория²³², образуя искусственное ядерное горючее — плутоний²³⁹ или уран²³³.

Центральная часть реактора может состоять из чистого урана²³⁵. Однако в этом случае подбор критических условий затруднен. Ничтожное добавление урана может привести к очень быстрому возрастанию коэффициента размножения, и когда он значительно превысит единицу, произойдет атомный взрыв.

Кроме того, при применении чистых расщепляющихся материалов центральная часть реактора будет иметь очень малый объем, в котором выделяется громадное количество тепла. Это затрудняет отвод тепла от реактора. Добавление значительных количеств разбавителя, естественно, облегчает регулировку цепного процесса и работу охлаждающей системы.

Вместо урана²³⁵ в центральной части реактора может использоваться плутоний²³⁹ или уран²³³. При работе на быстрых нейтронах легче всего добиться полного восстановления горючего, применяя плутоний²³⁹.

Второй тип размножающего реактора может быть выполнен в виде гетерогенного с замедлителем из тяжелей воды. В этом случае блоки из обогащенного урана располагаются очень близко один к другому. На малых расстояниях между блоками большая часть нейтронов не успевает замедлиться, и много актов деления ядер урана²³⁵ производится быстрыми нейтронами. Эти нейтроны, как уже говорилось, слабо поглощаются ядрами урана²³⁵.

Наконец, оказалось возможным использовать и медленные нейтроны в реакторе с восстановлением горючего. Легче всего это сделать, применяя для цепного процесса уран²³³. Его ядра сравнительно слабо поглощают (без деления) тепловые нейтроны. Выходящие из активной зоны реактора нейтроны поглощаются в наружной оболочке, состоящей из тория²³², где и образуется уран²³³. Расчеты показывают, что в оболочке такого реактора можно получить «свежего» урана²³³ не меньше, чем его «выгорает» в центральной части.

Таким образом, размножающие реакторы могут быть осуществлены на быстрых и медленных нейтронах.

Процессы в размножающем реакторе очень чувствительны к различным примесям, загрязняющим уран или замедлитель. Увеличение примесей, естественно, приводит к уменьшению выхода искусственного горючего, так как в них поглощается часть нейтронов. Такими примесями являются «осколки» деления ядер расщепляющихся материалов. Накопление «осколков» приводит к все ухудшающейся эффективности реактора. Нужна частая замена материалов, находящихся в центральной части реактора, и очистка урана от накопившихся «осколков», представляющих собой ядра различных элементов.