Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Графит с урановыми стержнями образуют активную зонуреактора, которая окружается отражателем 3 , то есть веществом, отражающим нейтроны, движущиеся наружу, обратно в активную зону, и тем самым уменьшающим необходимые для развития цепной реакции критические размеры реактора. Отражение нейтронов — сложный процесс, в котором используются такие же упругие столкновения нейтронов с ядрами отражателя, которые происходят в замедлителе. Поэтому в качестве отражателя нейтронов может быть использован тот же графит (углерод).

После ряда столкновений с ядрами углерода небольшая часть нейтронов вернется обратно в активную зону реактора и примет участие в цепной реакции. Значительная же часть нейтронов все же выходит наружу. Поэтому реактор окружается так называемой биологической защитой, чаще всего бетонной стенкой 4 , предохраняющей обслуживающий персонал от вредного действия нейтронного и радиоактивного излучения. Толщина бетона бывает разной в зависимости от мощности реактора и иногда доходит до 3 м и более.

В любом куске урана, а следовательно, и в уран-графитовом реакторе, независимо от того, идет ли в нем цепная реакция или нет, непрерывно выделяется ядерная энергия. Это происходит за счет самопроизвольного деления ядер урана.

Выше уже говорилось о том, что в 1 кг урана за 1 секунду происходит в среднем около 6–7 делений. Принимая во внимание это число и учитывая, что в каждом делении освобождается в виде тепла около 160 Мэв ядерной энергии, можно подсчитать, мощность выделяемой за счет самопроизвольного деления энергии. Это будет начальная мощность реактора. Для реактора, в который загружено около 1 т природного урана, начальная мощность составляет менее 10 -10 квт . Это, конечно, ничтожная мощность, но ее вполне достаточно для начала цепной реакции.

Количество загружаемого в реактор урана должно превышать критическую массу. Одной из причин этого является необходимость получить коэффициент размножения больше единицы, так как только при этом условии возможно увеличить количество нейтронов, а следовательно, и число делений в 1 секунду до значения, обеспечивающего работу реактора с заданной мощностью. Чтобы цепная реакция не началась преждевременно, загрузка урана производится при полностью введенных управляющих стержнях 8 , изготовленных из металлического кадмия или бористой стали. Поглощение нейтронов стержнями при таком их положении приводит к уменьшению коэффициента размножения ( K <1) и препятствует началу цепной реакции.

При пуске реактора стержни следует выдвинуть из активной зоны настолько, чтобы коэффициент размножения нейтронов стал немного больше единицы. Тогда количество нейтронов и число делений, вызываемых ими, станет возрастать. Соответственно будет увеличиваться и мощность выделяемой энергии. При коэффициенте размножения K =1,005 мощность реактора увеличится в 2,7 раза примерно через 10 сек., в 7,3 раза через 20 сек. и т. д. В первые минуты мощность растет медленно, а в последующем все быстрее и быстрее, как это показано на рис. 42.

Когда мощность достигнет заданной величины, необходимо, несколько опустив управляющие стержни, уменьшить коэффициент размножения и сделать его равным единице; тогда реактор станет работать с постоянной мощностью.

По мере работы реактора в урановых стержнях будет «выгорать» уран 235 и накапливаться плутоний 239. Это обстоятельство, а также поглощение нейтронов «осколками» деления, накапливающимися в стержнях, приводит к постепенному уменьшению коэффициента размножения K . Для устойчивой работы реактора нужно компенсировать это уменьшение K , выдвигая постепенно управляющие стержни из активной зоны.