Валерий Легасов: Высвечено Чернобылем

Условие номер один, при котором коэффициент размножения был бы равен этому числу, состоит в том, чтобы среда, в которой предполагается осуществить цепную реакцию, состояла бы только из делящегося изотопа урана-235. И чтобы всякий нейтрон, поглощаясь в уране, вызывал бы деление со стопроцентной вероятностью.

Но так не бывает. Бывает, что нейтрон поглощается, не вызывая деления.

Не бывает ядерных реакторов с топливом, содержащим 100 % изотопа уран-235. Не бывает ядерных реакторов с ураном в химически чистом – металлическом – виде. Уран может применяться только в виде химических соединений; сейчас это в основном двуокись урана, в перспективе рассматривается нитрид урана.

Для цепной реакции в природном уране или в уране слабоогащенном, т. е. в таком, где массовая доля урана-235 повышена до нескольких процентов, необходим замедлитель нейтронов. А любой замедлитель, как и вообще любое вещество, является одновременно и поглотителем. Слабым, но поглотителем. Кроме того, в природном и в слабообогащенном уране основным поглотителем нейтронов является не поддерживающий цепную реакцию уран-238. Поглощение нейтронов в уране-238 и в замедлителе – вот две основные причины, существенно снижающие значение коэффициента размножения по сравнению с предельно возможной 2.416: снижающие до значений или немного превышающих единицу, или даже меньших, чем единица.

Интересно и характерно: увеличение количества замедлителя уменьшает захват нейтронов в уране-238, но одновременно – что совершенно естественно – увеличивает поглощение нейтронов в самом замедлителе.

Величина, которая характеризует уменьшение захвата в уране-238, называется вероятностью избежать резонансного захвата. С увеличением количества замедлителя эта вероятность растет, стремясь к единице. Величина, которая характеризует поглощение в замедлителе и во всех прочих материалах активной зоны, называется коэффициентом использования тепловых нейтронов. С увеличением количества замедлителя этот коэффициент падает, стремясь к нулю.

Реальное значение коэффициента размножения получается умножением числа 2.416 на произведение двух величин: вероятность избежать захвата в уране-238 и на коэффициент использования тепловых нейтронов, и еще на некоторые величины, которые от количества замедлителя не зависят и при данном составе топлива являются постоянными.

Если одна величина растет, стремясь к единице, а другая падает, стремясь к нулю, то их произведение должно иметь максимальное значение; до этого максимума оно растет, а затем падает. Стало быть, при увеличении количества замедлителя коэффициент размножения сначала растет, достигает максимума, затем падает. То есть должно существовать какое-то количество замедлителя в расчете на единицу массы топлива, при котором коэффициент размножения максимален.

Одним из важнейших шагов в развитии теории цепной ядерной реакции стало определение оптимального соотношения количеств замедлителя и ядерного топлива. Это соотношение может быть выражено величиной отношения объемных концентраций атомных ядер замедлителя и топлива. Может быть выражено отношением объемов замедлителя и топлива.

А может – величиной шага решетки замедлителя, воды или графита.

3. Устройство «реактора чернобыльского типа» и причины неустойчивости и небезопасности такого реактора

Графит – основной конструктивный элемент активной зоны ядерного реактора РБМК-1000. Габаритные размеры графитовой кладки – 14×14 м в плане (в длину и в ширину) и 8 м в высоту.

Кладка образована вертикальными колоннами, общее количество которых равно 2488 шт.; каждая состоит из устанавливаемых друг на друга призматических блоков размерами 25×25 см в плане и 60 см в высоту. Этот размер – 25 см – и есть шаг решетки. Таким образом, каждая колонна – это вертикальная призма, имеющая в сечении форму квадрата со стороной 25 см и высотой 8 м.

В графитовых блоках имеются продольные сквозные отверстия диаметром 114 мм. При установке блоков друг на друга, т. е. при сборке колонны, внутри колонны образуется вертикальный цилиндрический канал, тракт.

В этот вертикальный тракт вставляется труба из циркониевого сплава – технологический канал. Внешний диаметр трубы – 88 мм, внутренний – 80, т. е. толщина стенки канала – 4 мм. В трубу технологического канала сверху устанавливается тепловыделяющая сборка (ТВС) с ядерным топливом.

Графитовый блок. Канальный ядерный энергетический реактор РБМК. Под общ. редакцией Ю. М. Черкашова. М.:ГУП НИКИЭТ, 2006.