Ядерный реактор (устройство как работает)

Ядерный реактор это сложное технологическое устройство, где очень тесно переплетаются множество наук физика, химия, математика и другие.

В основу работы ядерного реактора лежит контролируемая цепная реакция, где в качестве топлива используют стержни урана.

Атомный реактор является мощным источником нейтронов и гамма-излучения, образующегося при радиоактивном распаде осколков от деления ядер урана.

Что такое ядерный реактор

Принцип работы ядерного реактора работающего на природном уране (рис. 2), состоит из стержней У диаметром 10—15 см и длиной около 1 м, изготовленных из обогащенного природного урана с содержанием U²³⁵ до 5%.

Стержни помещаются в среду из замедлителя — графитовый блок Б с каналами. В нескольких местах блока размещаются подвижные стержни Н из поглотителя нейтронов (рис. 2, а).

Блок Б с урановыми стержнями окружается оболочкой О, отражающей нейтроны, и затем толстой бетонной стенкой С для защиты обслуживающего персонала от радиоактивного излучения (рис. 2, б). 

При пуске реактора (для этого нужно выдвинуть стержни поглотителя) начинается цепная реакция деления ядер U²³⁵.

Образующиеся при этом быстрые нейтроны выходят за пределы стержней и попадают в замедлитель. Выходящие из замедлителя нейтроны частью:

1. Сталкиваются с ядрами U²³⁸ и поглощаются ими;
2. Попадают в ядра атомов U²³⁵ (или в дальнейшем плутония) и вызывают их деление
3. Поглощаются в стержнях поглотителя.

Таким образом, реакция деления U²³⁵ (или плутония) поддерживается на необходимом уровне. Осколки от деления ядер урана (или плутония) продолжают радиоактивные превращения, пока не обратятся в устойчивые элементы.

Эти вещества представляют собой так называемый радиоактивный шлак — продукт работы реактора. Когда урановые стержни в значительной мере обеднятся ураном, их заменяют новыми.

Энергия, вырабатываемая в урановых стержнях, является главным образом кинетической энергией осколков от деления ядер U²³⁵ или плутония.

Эта энергия путем множества последовательных упругих соударений этих осколков с окружающими частицами превращается в энергию теплового движения последних.

При этом урановые стержни разогреваются до температуры 500—600°С.

Как используется энергия ядерного реактора

Энергия реактора используется путем циркуляционного охлаждения урановых стержней. Для этого стержни делаются полыми и заключаются в стальную трубу.

В каналах внутри и снаружи уранового стержня циркулирует охлаждающая жидкость. В качестве последней применяют, например, воду под высоким давлением (около 100 атм, чему соответствует температура кипения 309°С) или легкоплавкие металлы в жидком виде.

Обтекающая урановые стержни жидкость нагревается до температуры 250— 300°С и затем отводится в теплообменник или парообразователь, который служит источником пара, используемого в обычной энергетической установке.

Атомный реактор является мощным источником нейтронов и гамма-излучения, образующегося при радиоактивном распаде осколков от деления ядер урана.

Нейтронные потоки могут быть использованы для получения радиоактивных изотопов. Для этого соответствующие вещества помещаются в специальные каналы, сделанные в стенах реактора, где они облучаются нейтронами.

Управление работой реактора

Управление работой реактора производится при помощи автоматических контрольных приборов, непрерывно регистрирующих интенсивность потока нейтронов, с центральной (активной) зоны реактора.

В зависимости от величины этого потока регулирующие устройства перемещают стержни поглотителей и автоматически поддерживают работу реактора на заданном уровне.

На рис. 3 показана схема ядерного реактора и устройство атомной электростанции. Здесь: У — пульт управления станцией, Р — урановый реактор, в нем: 1 — урановые стержни в среде из замедлителя, 2 — стержни управления реакторе, 3 — отражательная оболочка, 4 — защитные стены; К — паровой котел или теплообменник, в нем: а — система, охлаждающая реактор (внутренняя), б — система, питающая турбогенератор (внешняя); Т — паровая турбина, р — электрический генератор, П — трансформатор, Л — линия передачи.

Первая в мире промышленная атомная электростанция мощностью 5000 квт с урановым реактором была пущена в эксплуатацию в бывшем Советском Союзе 27 июня 1954 г.

Управляемая ядерная реакция

Однако возможно осуществить и управляемую цепную реакцию деления ядер U²³⁵. Для этого необходимо регулировать количество нейтронов, которые, освободившись при делении ядер, могут вызывать деление ядер соседних атомов.

Для этого применяют искусственное поглощение нейтронов веществами, помещенными для этой цели внутрь массы U²³⁵.

Такие вещества называются поглотителями нейтронов. К ним относятся, например, кадмий, карбид бора и др.

Для получения управляемой реакции деления ядер U ²³⁵ последний изготовляют в виде отдельных небольших брусков и помещают между ними подвижные стержни из поглотителя нейтронов.

Выдвигая или вдвигая стержни-поглотители, можно изменять поток нейтронов, попадающих из одного бруска в другой, и этим регулировать скорость цепной реакции.

Если вдвинуть стержни достаточно глубоко, реакцию можно остановить совсем; постепенно выдвигая их, можно довести реакцию до желаемой интенсивности.

Однако получение энергии для промышленных целей посредством управляемой реакции деления ядер U²³⁵ не является экономически выгодным, так как он в природе встречается в небольшом количестве и добывание его стоит очень дорого.

Промышленное использование энергии, освобождающейся при делении ядер урана, оправдывается экономически только при использовании в качестве «горючего» U²³⁸, который составляет основную массу природного урана.

Ядро U²³⁸ способно к делению только под действием нейтронов с высокой энергией (2—3 Мэв и выше). Нейтроны с энергией до 1 Мэв поглощаются его ядром, которое при этом превращается в ядро радиоактивного изотопа —U²³⁹; Последний, испуская электрон, превращается в новые элементы: изотопы нептуния и затем плутония (рис. 4). Плутоний обладает способностью к делению ядра так же, как и U²³⁵. т. е. под действием нейтронов с любой энергией.

Какие процессы протекают в атомных реакторах

В атомных реакторах используются два параллельно протекающих процесса: во-первых, управляемая цепная реакция деления ядер U²³⁵, а затем также ядер плутония, образующихся в самом реакторе, и, во-вторых, образование плутония из U²³⁸.

Для обеспечения этого необходимо, чтобы нейтроны, образующиеся в реакторе при делении ядер урана или плутония, имели сравнительно невысокую энергию.

Такие нейтроны, с одной стороны, будут поддерживать деление ядер U²³⁵ или плутония, с другой — поглощаться U ²³⁸, вызывая превращение его в плутоний.

Процесс искусственного снижения энергии нейтронов или их замедления осуществляется путем многократных упругих соударений с ядрами каких-либо легких элементов, не поглощающих нейтроны, которыми для этой цели окружают бруски урана, например графит или тяжелая вода.

Подобные вещества называются замедлителями нейтронов.

Реакция деления ядра урана

Природный уран состоит из смеси трех изотопов: U²³⁸ — 99,274%, U ²³⁵ — 0,72% и U²³⁴—0,006%.

Все эти изотопы являются слабо радиоактивными; U²³⁸ является родоначальником ряда урана-радия, U²³⁵— ряда актино-урана (U ²³⁴ входит в ряд урана-радия). Уран имеет также ряд радиоактивных изотопов, не встречающихся в природе.

Открытие деления ядер урана

В 1939 г. австрийскими физиками Ганом и Штрассманом была открыта реакция деления ядер урана под действием нейтронов, сопровождающаяся выделением больших количеств энергии.

Основной интерес представляет реакция деления ядер урана U²³⁵ под действием медленных (т. е. находящихся только в тепловом движении) или тепловых нейтронов.

Нейтрон, сталкиваясь с ядром U²³⁵ поглощается им. Это нарушает устойчивость ядра, и оно распадается на две части, причем одновременно из него выбрасывается от одного до трех нейтронов, обладающих высокой энергией (рис. 5).

Ядра новых элементов, образующиеся в результате деления ядра урана, получают каждый кинетическую энергию 70—80 Мэв.

На рис. 5 показаны следы от деления ядра урана в камере Вильсона. Уран нанесен на пластинку, помещенную на перегородке в камере.

Толстые линии — следы двух осколков (многочисленные короткие линии — следы протонов, которые выбитых нейтронами, образовавшимися при делении ядра в результате столкновений с атомами водорода, входящими в состав паров воды, заполняющих камеру).

Деление ядра урана

Деление ядра происходит всегда на два осколка (не считая выбрасываемых нейтронов), однако состав их может быть различным.

В основном это элементы с массовым числом в пределах от 80 до 150, относящиеся к 5—8 рядам таблицы Менделеева.

В значительной части эти элементы представляют радиоактивные изотопы, которые претерпевают дальнейшие превращения до тех пор, пока не перейдут в устойчивые вещества.

Поэтому уравнение реакции деления ядра можно написать только в общем виде

₉₂U²³⁵ + ₀n¹ → _Z1X^A1 + _Z2Y^A2 + (1 ÷ 3) ₀n¹.

Можно указать также примерные случаи деления:

₉₂U²³⁵ + ₀n¹ → ₅₆Ba¹⁴⁰ + ₃₆Kr⁹³ + 3₀n¹

Особенностью реакции деления ядра урана является то, что она может принимать цепной характер. Цепной называется такая реакция, продукты которой способствуют дальнейшему ее распространению.

Цепная реакция в зависимости от условий может быть затухающей и нарастающей. В последнем случае она может иметь характер взрыва.

Цепной характер реакции деления ядра урана обусловливается тем, что при делении каждого ядра выбрасывается от одного до трех нейтронов, которые, попадая в соседние атомы, могут вызвать их деление (рис. 6).

Однако нейтроны могут проходить между соседними ядрами без столкновения и уходить за пределы данной массы вещества, не вызвав деления новых ядер.

Цепная реакция

Для развития нарастающей цепной реакции необходимо, чтобы количество образующихся в единицу времени нейтронов было больше числа их, покидающих данную массу вещества.

Вероятность столкновения нейтронов с ядрами повышается с увеличением массы вещества.

Поэтому существует критическая масса урана, при которой цепная реакция становится нарастающей (для тела в виде шара она имеет порядок 10 кг).

Ядра изотопов U²³⁸ и U²³⁵ претерпевают также спонтанное деление в результате собственной неустойчивости или под действием блуждающих нейтронов космического излучения.

По данным Флерова и Петржака, открывших это явление, в 1 г урана в 1 ч происходит около 20 спонтанных делений. Так как U ²³⁵ в природных условиях в больших массах не встречается, реакция деления ядер при этом сразу затухает.

Нарастающая цепная реакция деления ядер U²³⁵ используется при устройстве урановой атомной бомбы. 

Последняя схематически состоит из металлического корпуса К (рис. 6), в котором на некотором расстоянии расположены два (их может быть и несколько) урановых заряда У, каждый из них содержит массу урана, меньшую критической.

Заряды окружены оболочкой О из бериллия, которая служит отражателем нейтронов.

Приведение бомбы в действие производится при помощи заряда взрывчатого вещества 3, которое находится в конце корпуса, и в нужный момент, взрываясь, соединяет урановые заряды в одну общую массу.

Взрыв урановой бомбы

Взрыв урановой бомбы длится всего несколько миллионных долей секунды, при этом в зоне цепной реакции температура повышается до десятков миллионов градусов, а давление достигает миллиона атмосфер.

Действующими факторами атомного взрыва являются: взрывная, или ударная, волна, мощное световое и интенсивное радиоактивное излучение.

Источником взрывной волны является возникающее в зоне реакции высокое давление. Высокая температура газов в центре взрыва вызывает ослепляющее глаза и обжигающее кожу световое излучение.

Радиоактивное излучение состоит из мощных потоков нейтронов и гамма-излучения. Мощный нейтронный поток вызывает в зоне его действия образование новых радиоактивных изотопов.

Вместе с выбрасываемыми при взрыве радиоактивными осколками от деления ядра урана это создает вокруг центра взрыва значительную зону радиоактивного заражения.

Статья на тему Ядерный реактор