Ядерные реакторы

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).

Рис. 39. Реактор типа «погруженный в воду»

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 урана²³⁵ достигает 50 процентов. В каждом стержне примерно 40 граммов урана²³⁵. Цепной процесс начинается, когда масса урана²³⁵ достигает 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.

Рис. 40. Реактор STR

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 урана²³⁵ и 5500 граммов урана²³⁸. Цепной процесс начинается при 810 граммах урана²³⁵. В качестве отражателя применяется окись бериллия и графит. Защита от излучения изготовлена из свинца и бетона. Регулировка осуществляется с помощью кадмиевых стержней.

Рис. 41. Схема реактора НУРО:

1 — сфера из нержавеющей стали; 2 — отражатель из окиси бериллия; 3 — графитовый отражатель; 4 — охлаждающий змеевик; 5 — слой свинца 100 миллиметров; 6 — бетон 1,5 метра; 7 — регулирующие стержни

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 урана²³⁵. Эта зона окружена толстым слоем естественного урана, который поглощает нейтроны, выходящие из активной зоны. Благодаря этому во внешнем слое образуется новое ядерное горючее — плутоний²³⁹. 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.

Рис. 42. Экспериментальный размножающий реактор EBR

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 урана²³⁵ в среднем получается одно ядро плутония²³⁹. 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.

В Англии работают несколько реакторов, применяемых для получения радиоактивных изотопов и для физических исследований. По своей конструкции они мало отличаются от уже описанных выше.