Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

В механике доказывается, что при упругом соударении двух шаров наибольшая потеря энергии будет в случае, когда массы шаров равны. Этот закон применим и к нейтронам с тем только отличием, что шары не могут поглотить друг друга, а с нейтроном при соударении с ядром такое может случиться. Обыкновенная вода, содержащая водород, ядра которого (протоны) имеют массу, приблизительно равную массе нейтрона, была бы наилучшим замедлителем, если бы не поглощала нейтронов. Всего 18 столкновений с протонами требуется в среднем быстрому нейтрону, чтобы стать медленным. К сожалению, протоны поглощают часть сталкивающихся с ними нейтронов, снижая тем самым коэффициент их размножения и скорость развития цепной реакции.

Практически лучшим замедлителем является тяжелая вода, в состав которой входит тяжелый водород — дейтерий. Ядра дейтерия (дейтроны) в 2 раза тяжелее нейтронов. Поэтому число столкновений с дейтронами, которое должен в среднем испытать быстрый нейтрон, чтобы скорость его уменьшилась до тепловой, составляет в среднем 25, а не 18, как у обычного водорода. Некоторое увеличение числа необходимых столкновений с лихвой компенсируется тем, что дейтроны совсем не поглощают нейтронов.

Несколько хуже по своим замедляющим свойствам бериллий и графит (углерод). Но так как тяжелая вода является сравнительно дорогим продуктом, чаще всего в качестве замедлителя применяют хорошо очищенный графит — значительно более доступный и дешевый материал.

Имеется второй способ осуществления цепной реакции без взрыва, основанный на искусственном увеличении в уране процентного содержания легкого изотопа — урана 235, то есть в применении так называемого обогащенного урана. В обогащенном уране нейтроны чаще сталкиваются с ядрами урана 235 и производят их деление с испусканием новых нейтронов. Поэтому, если взять кусок обогащенного урана достаточной величины, то число возникающих нейтронов будет столь велико, что, несмотря на потерю части их вследствие поглощения ядрами урана 238 и утечки за пределы куска, коэффициент размножения K будет равен единице. Масса и размеры такого куска называются соответственно критическими. Чем больше степень обогащения, то есть процент содержания урана 235, тем меньше при прочих равных условиях критические размеры и масса.

Используемое в атомной бомбе ядерное ВВ представляет собой максимально обогащенный уран, содержащий изотоп 235 в количестве более 90%. В установках для получения ядерной энергии в промышленных целях столь высокая степень обогащения не требуется.

Осуществление цепной реакции без взрыва возможно также путем применения обоих рассмотренных нами способов, то есть с одновременным использованием замедлителя нейтронов и обогащенного урана.

Цепная реакция без взрыва называется управляемой, или контролируемой, так как скорость (мощность) ее можно регулировать. Для этого применяют так называемые управляющие(регулирующие) стержни, содержащие вещества, хорошо поглощающие нейтроны (кадмий, бор и др.). Вдвигая или выдвигая такие стержни внутрь объема, занятого ураном с замедлителем, можно изменять число нейтронов, производящих деления, и тем самым изменять коэффициент размножения K . Изменяя величину K , получаем возможность управлять скоростью цепной реакции и, следовательно, регулировать ее мощность.

Тут же необходимо заметить, что возможность управления цепной реакцией в уране обусловлена исключительно наличием в нем запаздывающих нейтронов. Без этих нейтронов, если бы реакция шла на одних мгновенных нейтронах, регулирование скорости реакции было бы невозможно. Действительно, от момента вылета мгновенного нейтрона до поглощения его каким-либо ядром проходит всего 0,001 сек. Поэтому при K >1 цепная реакция на мгновенных нейтронах развивается столь стремительно, что невозможно обычными техническими средствами «успеть» за ней. Наличие запаздывающих нейтронов, вылетающих с задержкой до 80 сек., делает возможным управление реакцией при значениях коэффициента размножения K , близких к единице.

Такое устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция, называется ядерным, или атомным, реактором.

В настоящее время наиболее распространены уран-графитовыереакторы, в которых природный уран является ядерным горючим, а графит — замедлителем. Принципиальная схема такого реактора дана на рис. 41. В средней части реактора внутри большого остова из графита 1 расположены стержни 2 из природного урана, покрытого алюминиевой оболочкой. Диаметр урановых стержней рассчитывается так, чтобы нейтроны, возникающие при делении, не испытывали много столкновений в уране, а быстро выходили в замедлитель. Иначе уран 238 может поглотить много нейтронов. Замедляясь в графите, быстрый нейтрон становится тепловым и после ряда столкновений с ядрами замедлителя и тяжелого изотопа урана 238 встретится в конце концов в каком-нибудь урановом стержне с ядром урана 235 и произведет его деление. При этом вновь появятся быстрые нейтроны, чем и поддерживается цепная реакция.