Ядерный реактор

Реакторы-замедлители:

В качестве сырья используют природный уран, который располагают на небольшом расстоянии, которое заполняют замедлителем, т.е. веществом, в котором нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Замедление нейтронов происходит за счёт упругого рассеивания, поэтому энергия, теряемая замедляемой частицы, зависит от соотношения масс сталкиваемых частиц.

Ядра замедлителя должны обладать малым сечением захвата нейтронов и большим сечением упругого рассеивания, такими свойствами обладают ядра дейтерия, бериллия и графита.

Уран-графитовый реактор состоит из: графита (замедлитель), блоки из урана, стержни, содержащие кадмий или бор, интенсивно поглощающие нейтроны.

Первые промышленные реакторы предназначались для получения плутония.

Реакторы-размножители:

Использовав горючее, обогащённое делящимся изотопом (), можно построить реактор, действующий на быстрых нейтронах. В таких реакторах воспроизводится большее количество ядерного горючего, чем выгорает в реакторе.

Побочными продуктами процессов, являются радиоактивные изотопы многих химических элементов, которые применяются в биологии, медицине и технике.

1°. Если каждый из нейтронов деления (VI.4.11.5⁰) взаимодействует с соседними ядрами делящегося вещества и в свою очередь вызывает в них реакцию деления, то про­исходит лавинообразное нарастание числа актов деления. Такая реакция деления называется цепной реакцией, на­званной так по аналогии с цепными химическими реакциями, продукты которых могут вновь вступать в реакции с исход­ными веществами.

2°. Условием возникновения цепной реакции является наличие размножения нейтронов (VI.4.11.5°) при делении ядра. Коэффициентом k размножения нейтронов называ­ется отношение числа нейтронов, возникших в некотором звене реакции, к числу таких нейтронов в предыдущем звене. Необходимым условием развития цепной реакции является требование

3°. Не каждый из нейтронов деления вызывает развитие цепной реакции. Часть из них попадает в ядра атомов неделящихся веществ, присутствующих в активной зоне — области пространства, где происходит цепная реакция. Таки­ми веществами являются замедлители нейтронов (VI.4.9.3°), теплоносители, уносящие тепло из активной зоны, и др. Часть нейтронов просто выходит за пределы активной зоны и не может вызывать развития цепной реакции.

4°. Помимо причин, указанных в п. 3°, развитие цепной реакции зависит от среднего числа п нейтронов, возникших при одном акте деления (VI.4.11.5°), от размеров активной зоны и от процессов взаимодействия нейтронов с ядрами делящихся веществ и ядрами веществ-примесей.

5°. Уменьшение размеров активной зоны увеличивает долю нейтронов, уходящих из зоны, и уменьшает возмож­ность развития цепной реакции. Потери нейтронов про­порциональны площади поверхности S, а размножение нейтронов пропорционально массе делящегося вещества, а следовательно, его объему V. Для делящегося вещества сфе­рической формы S^R*, S/V~l/R. С уменьшением R, т. е. с уменьшением объема и массы делящегося вещества, растет доля потерь нейтронов, уходящих из активной зоны. Минимальные размерк активной зоны, при которых k^l (п. 2°), называются критическими размерами. Мини­мальная масса делящихся веществ, находящихся в активной зоне критических размеров, называется критической массой.

Для уменьшения критических размеров и критической массы делящиеся вещества окружаются отражателями нейтронов — слоями неделящегося вещества, которое не захватывает нейтроны, а возвращает в активную зону боль­шую часть вылетающих из нее нейтронов. В качестве отра­жателей применяются те же вещества, которые служат за­медлителями нейтронов (VI.4.9.3°).

Управление цепной реакцией состоит в том, чтобы регу­лировать скорость v цепной реакции, т. е. число актов де­ления ядер в веществе за единицу времени. Помимо коэф­фициента размножения нейтронов скорость цепной реак­ции зависит от среднего времени т между двумя последо­вательными актами деления (среднее время жизни одного «поколенияъ нейтронов).

6°. Ядерными реакторами (атомными котлами) на­зываются устройства, в которых осуществляются управляе­мые цепные ядерные реакции. Основные элементы ядерного реактора: ядерное горючее, замедлитель и отражатель нейт­ронов, теплоноситель для отвода тепла, образующегося в реакторе, регуляторы скорости развития цепной реакции деления. Различаются реакторы на медленных и на быстрых нейтронах (VI.4.9.2°). Для работы первых обязательно на- личте замедлителя, позволяющего нейтронам скачками пре­одолевать опасную область энергий, в которой происхо­дит резонансный захват нейтронов (VI.4.9.3°), приводя­ щий к убыли их числа в активной зоне реактора.

7°. Ядерным горючим (сырьевые и делящиеся вещества в реакторах) являются изотопы урана ²||U и ²jJfU, плуто­ний ²мРи, торий ²|»Th. В природной смеси изотопов урана изотопа ²e|U содержится в 140 раз больше, чем изотопа ²jJtU.

Замедлители и отражатели нейтронов (п. 5°) способст­вуют увеличению числа медленных нейтронов (VI.4.9.2°), которые наиболее эффективны для развития цепной реакции деления.

Быстрое развитие цепной реакции сопровождается выде­лением большого количества тепла и перегревом реактора.

Для поддержания стационарного режима реактора, при котором коэффициент размножения нейтронов /г=1 (VI.4.12.2°) (критический режим реактора), в активную зону реактора вводятся управляющие (регулирующие) стержни из материалов, сильно поглощающих тепловые нейтроны, например из бора или кадмия.

Теплоносителем в реакторе служит вода, жидкий нат­рий и другие вещества. Для защиты персонала, обслужи­вающего реактор, от действия на организм нейтронных по­токов и у-излучения, возникающих в реакторе (VI.4.14.1⁰), применяются специальные меры — защитные устройства и автоматизация процессов управления реактором. Схема устройства ядерного реактора изображена на рис. VI.4.9.

8°. В ядерных реакторах, работающих на быстрых нейт­ронах, осуществляется процесс воспроизводства ядерного горючего. Захват нейтронов ядрами урана ²»|U приводит к созданию плутония ²jgPu (VI.4.9.4°), который можно хи­мически отделить от ²^U. При делении одного ядра ²^U образуется в среднем 2, 5 нейтрона (VI.4.11.5⁰), из которыхлишь один необходим для поддержания цепной реакции. Остальные 1, 5 нейтрона могут быть захвачены ядрами ²EaU и создать 1, 5 ядра ^а||Ри. В специальных бридерных (вос­производящих) реакторах коэффициент воспроизводства ядерного горючего превышает единицу. В активную зону бридерного реактора помещается сплав урана, обогащен­ного изотопом ^a||U, с тяжелым металлом (висмут, свинец), мало поглощающим нейтроны. Замедлитель в таких реакто­рах отсутствует. Управление реактором производится авто­матизированным перемещением отражателя или изменением массы делящихся веществ.