Ядерный реактор

 Условия протекания реакции деления урана

Усло­вия про­те­ка­ния ре­ак­ции:

за­мед­ле­ние ней­тро­нов до­ста­точ­ное про­цент­ное со­дер­жа­ние изо­то­пов ²³⁵U управ­ле­ние ко­ли­че­ством ней­тро­нов, участ­ву­ю­щих в ре­ак­ции

Вы зна­е­те: чтобы про­те­ка­ла ядер­ная ре­ак­ция хотя бы с одним ядром, в это ядро дол­жен по­пасть мед­лен­ный ней­трон. Что такое мед­лен­ный ней­трон? Мед­лен­ный ней­трон – это такой ней­трон, ско­рость ко­то­ро­го срав­ни­ма со ско­ро­стью теп­ло­во­го дви­же­ния мо­ле­кул газа при нор­маль­ных усло­ви­ях. Такие ней­тро­ны на­зы­ва­ют­ся мед­лен­ны­ми (или теп­ло­вы­ми). Сле­до­ва­тель­но, ней­тро­ны, по­лу­чен­ные ка­ким-ли­бо спо­со­бом, мы долж­ны обя­за­тель­но за­мед­лить. Сде­лать их ско­ро­сти та­ки­ми, чтобы они могли по­дой­ти вплот­ную к ядрам ура­на-235 и на­чать вза­и­мо­дей­ство­вать. Кроме этого, нам обя­за­тель­но нужно под­го­то­вить уран так, чтобы там было до­ста­точ­ное ко­ли­че­ство изо­то­пов ²³⁵U. В при­род­ном уране, ко­то­рый до­бы­ва­ет­ся на руд­ни­ках, со­став­ная часть ²³⁵U очень неболь­шая. Его со­дер­жит­ся всего лишь толь­ко 0,7%. Чтобы на­ча­лась цеп­ная ре­ак­ция в таком об­раз­це, надо, чтобы про­цент со­дер­жа­ния ²³⁵U был зна­чи­тель­но боль­ше. Счи­та­ет­ся, что про­цент обо­га­щен­но­го урана дол­жен со­став­лять 10% и выше. С таким со­дер­жа­ни­ем уже можно го­во­рить о на­ча­ле цеп­ной ре­ак­ции. Важно пом­нить еще: чтобы ре­ак­ция была управ­ля­е­мой, число ней­тро­нов, по­яв­ля­ю­щих­ся в еди­ни­цу вре­ме­ни, долж­но быть ве­ли­чи­ной по­сто­ян­ной. Все, что мы сей­час об­су­ди­ли, – это и есть ос­нов­ные по­ло­же­ния, ко­то­рые ис­поль­зу­ют­ся при со­зда­нии ядер­но­го ре­ак­то­ра.

 Схема реакции

На схеме изоб­ра­же­но ядро ура­на-235, в ко­то­рое по­па­да­ет мед­лен­ный ней­трон. В ре­зуль­та­те по­па­да­ния на­чи­на­ют ме­нять­ся раз­мер и форма ядра, на­сту­па­ет де­ле­ние. В ре­зуль­та­те де­ле­ния об­ра­зу­ют­ся оскол­ки и ней­тро­ны.

Рис.1. Де­ле­ние ядра ура­на-235 с об­ра­зо­ва­ни­ем ней­тро­нов

Эти ней­тро­ны об­ла­да­ют боль­шой ско­ро­стью, и их в оче­ред­ной раз надо обя­за­тель­но за­мед­лить. Мы ста­вим за­мед­ли­тель, про­хо­дя через ко­то­рый ней­тро­ны умень­ша­ют ско­рость. По­нят­но, что один из этих ней­тро­нов может быть за­дер­жан. Он может вза­и­мо­дей­ство­вать и за­дер­жать­ся в ка­ком-то ве­ще­стве, ко­то­рое ему встре­тит­ся. Два дру­гих всту­пят во вза­и­мо­дей­ствие с дру­ги­ми яд­ра­ми урана, даль­ше опять нужен за­мед­ли­тель и т.д. Про­цесс, о ко­то­ром мы го­во­рим, не дол­жен быть ла­ви­но­об­раз­ным.

 Устройство ядерного реактора

Итак, мы рас­смот­ре­ли тео­ре­ти­че­ские ас­пек­ты ра­бо­ты ре­ак­то­ра, те­перь да­вай­те озна­ко­мим­ся с его устрой­ством. Глав­ная часть лю­бо­го ре­ак­то­ра – ак­тив­ная зона. В ак­тив­ной зоне про­ис­хо­дят ре­ак­ции де­ле­ния. Там вы­де­ля­ет­ся наи­боль­шее ко­ли­че­ство тепла. Кроме того, в ак­тив­ной зоне ре­ак­то­ра обя­за­тель­но дол­жен на­хо­дить­ся за­мед­ли­тель, как раз та самая часть, ко­то­рая умень­ша­ет ско­рость ней­тро­нов, поз­во­лив им вза­и­мо­дей­ство­вать с дру­ги­ми яд­ра­ми. Кроме этого, при ра­бо­те ре­ак­то­ра обя­за­тель­но при­сут­ству­ет утеч­ка ней­тро­нов из ак­тив­ной зоны; чтобы по­вы­сить без­опас­ность и вме­сте с тем уве­ли­чить воз­мож­ность ней­тро­нов оста­вать­ся в ак­тив­ной зоне нужен от­ра­жа­тель. Нель­зя за­бы­вать, что во время ядер­ных ре­ак­ций об­ра­зу­ет­ся боль­шое ко­ли­че­ство теп­ло­ты, ко­то­рое необ­хо­ди­мо все время непре­рыв­но от­во­дить. Для этой цели через ак­тив­ную зону обя­за­тель­но про­пус­ка­ют теп­ло­но­си­тель. Мы рас­смот­ре­ли общие во­про­сы, те­перь по­смот­рим на схеме, из чего и как, из каких ча­стей со­сто­ит ядер­ный ре­ак­тор.

Рис.2. Прин­ци­пи­аль­ная схема ядер­но­го ре­ак­то­ра

Об­ра­ти­те вни­ма­ние, что имен­но в ак­тив­ной зоне рас­по­ла­га­ют­ся стерж­ни с го­рю­чим. Это те стерж­ни, ко­то­рые на­пол­не­ны обо­га­щен­ным ура­ном, и имен­но тогда, когда этих стерж­ней до­ста­точ­ное ко­ли­че­ство в ак­тив­ной зоне, на­чи­на­ет­ся ядер­ная ре­ак­ция. Кроме этого, для обес­пе­че­ния без­опас­но­сти и ре­гу­ли­ров­ки ре­ак­ции обя­за­тель­но сюда по­ме­ща­ет­ся стер­жень, а чаще всего это пла­сти­ны, ко­то­рые вы­пол­не­ны из эле­мен­та бора. Бор очень хо­ро­шо по­гло­ща­ет ней­тро­ны, по­это­му, вдви­гая и вы­дви­гая ре­гу­ля­тор, мы можем ре­гу­ли­ро­вать ко­ли­че­ство ней­тро­нов в ак­тив­ной зоне. Обя­за­тель­но – от­ра­жа­тель, ко­то­рый не дает ней­тро­нам по­ки­нуть ак­тив­ную зону, воз­вра­ща­ет их об­рат­но. Как пра­ви­ло, от­ра­жа­тель вы­пол­ня­ет­ся из бе­рил­лия. И сле­ду­ю­щее – это теп­ло­но­си­тель, ко­то­рый про­ка­чи­ва­ет­ся через ак­тив­ную зону и от­во­дит тепло. В боль­шин­стве слу­ча­ев теп­ло­но­си­те­лем яв­ля­ет­ся вода, при­чем чаще всего тя­же­лая вода. Она также вы­пол­ня­ет функ­цию за­мед­ли­те­ля, об­ра­ти­те вни­ма­ние. За­мед­ли­те­лем может быть тя­же­лая вода, вода, ко­то­рая со­дер­жит изо­то­пы во­до­ро­да – дей­те­рий, три­тий, а также уг­ле­род. Уг­ле­род тоже до­ста­точ­но хо­ро­ший за­мед­ли­тель. Теп­ло­но­си­тель дол­жен все время дви­гать­ся внут­ри, от­во­дить тепло, и это дол­жен быть за­мкну­тый цикл.

Ко­неч­но, та­ко­го рода ри­су­нок – это толь­ко прин­ци­пи­аль­ная схема. На самом деле устрой­ство атом­но­го ре­ак­то­ра го­раз­до слож­нее, по­то­му что мы долж­ны пол­но­стью ис­клю­чить при­сут­ствие че­ло­ве­ка там, где про­ис­хо­дят все эти дей­ствия. Теп­ло­но­си­тель, от­ни­мая тепло от ак­тив­ной зоны, сам об­ла­да­ет боль­шой энер­ги­ей и от­да­ет свою энер­гию в теп­ло­об­мен­ни­ки дру­го­му но­си­те­лю тепла. В ре­зуль­та­те такой двой­ной пе­ре­да­чи тепла об­ра­зу­ет­ся пе­ре­гре­тый пар под вы­со­ким дав­ле­ни­ем и при вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ре, ко­то­рый потом по­сту­па­ет в тур­би­ны на элек­тро­стан­ци­ях для вы­ра­ба­ты­ва­ния элек­тро­энер­гии.

Рис. 3. Пе­ре­да­ча тепла от ре­ак­то­ра в ге­не­ра­тор

Есте­ствен­но, вся ак­тив­ная зона за­щи­ще­на очень тол­стым слоем спе­ци­аль­но­го бе­то­на, ко­то­рый пре­граж­да­ет путь к ра­дио­ак­тив­ным из­лу­че­ни­ям.

 История ядерных реакторов

Мы рас­смот­ре­ли пер­вый вид ядер­но­го ре­ак­то­ра. Пер­вый ядер­ный ре­ак­тор был пущен в 1942 году в США под ру­ко­вод­ством Эн­ри­ко Ферми. Пер­вая управ­ля­е­мая ре­ак­ция была про­из­ве­де­на там же. В СССР, в Рос­сии, пер­вый ядер­ный ре­ак­тор был пущен в 1946 году.

 Различные виды современных реакторов

На се­го­дняш­ний день су­ще­ству­ет несколь­ко видов ядер­ных ре­ак­то­ров. Сей­час ис­поль­зу­ют­ся в ос­нов­ном ре­ак­то­ры двух типов, так на­зы­ва­е­мые го­мо­ген­ные, когда теп­ло­но­си­тель, за­мед­ли­тель и ядер­ное го­рю­чее на­хо­дят­ся вме­сте, как бы в пе­ре­ме­шан­ном виде, в ак­тив­ной зоне. И ге­те­ро­ген­ные. Что это за ре­ак­то­ры? Это те, в ко­то­рых от­дель­но на­хо­дит­ся го­рю­чее в опре­де­лен­ных либо пла­сти­нах, либо стерж­нях, а теп­ло­но­си­тель, за­мед­ли­тель от­дель­но на­хо­дит­ся в ак­тив­ной зоне. У та­ко­го типа и у иного типа ре­ак­то­ров есть свои пре­иму­ще­ства и недо­стат­ки.

Осо­бый ин­те­рес пред­став­ля­ют ре­ак­ции, ко­то­рые про­те­ка­ют в ре­ак­то­рах на быст­рых ней­тро­нах, где ре­ак­ция про­те­ка­ет уже не с ²³⁵U, а с ²³⁸U, с изо­то­па­ми, яд­ра­ми ²³⁸U. Но здесь есть одна су­ще­ствен­ная де­таль. Ак­тив­ная зона ре­ак­то­ра на быст­рых ней­тро­нах очень мала. С этим свя­за­на слож­ность от­во­да тепла от ак­тив­ной зоны. По­это­му на се­го­дняш­ний день ре­ак­то­ров на быст­рых ней­тро­нах не так много, но они су­ще­ству­ют, за ними бу­ду­щее. Хо­те­лось бы от­ме­тить, что, по­ми­мо ис­поль­зо­ва­ния энер­гии, ко­то­рая по­лу­ча­ет­ся в ре­зуль­та­те ре­ак­ций де­ле­ния, на се­го­дняш­ний день раз­ра­ба­ты­ва­ет­ся воз­мож­ность про­мыш­лен­но­го по­лу­че­ния энер­гии в ре­зуль­та­те тер­мо­ядер­но­го син­те­за. О тер­мо­ядер­ном син­те­зе мы по­го­во­рим на бу­ду­щих уро­ках.