Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Если в качестве горючего для реактора взять уран, в достаточной степени обогащенный изотопом 235, то в процессе работы реактора количество образующегося плутония может превзойти количество расходуемого урана 235. Таким образом, общее количество делящегося (расщепляющегося) материала в таком реакторе будет увеличиваться. Подобным образом и работают размножающие реакторы. Потери и бесполезное поглощение нейтронов в этих реакторах сведены к минимуму.

В зависимости от скорости нейтронов, используемых для цепной реакции, различают реакторы на быстрых нейтронах, реакторы на медленных (тепловых) нейтронахи, наконец, реакторы на промежуточныхили средних нейтронах.

В качестве ядерного горючего во всех реакторах применяется уран, чаще всего обогащенный легким изотопом — ураном 235.

В качестве конструкционных материалов при сооружении реакторов применяются в основном алюминий, цирконий, их сплавы и нержавеющие стали.

В задачу этой книжки не входит подробное рассмотрение техники получения атомной энергии. Однако в целях лучшего уяснения тех физических принципов, на основе которых работают ядерные реакторы и которые изложены выше, расскажем кратко о некоторых советских реакторах [9].

Теоретическое и экспериментальное исследование цепной реакции в нашей стране было начато еще до Великой Отечественной войны. Были выяснены характерные особенности этого процесса, разработана теория деления ядер урана (Я. И. Френкель), открыто и изучено самопроизвольное деление этих ядер (Г. Н. Флёров и К. А. Петржак). Тогда же была разработана теория развития процесса во времени, найдены величины, от которых зависит коэффициент размножения системы с ураном и т. п. Работа продолжалась и в военное время.

Весьма разнообразные и многочисленные исследования были проведены перед постройкой первого советского ядерного реактора, явившегося также и первым реактором в Европе. Это был уран-графитовый реактор, остов которого был выложен из графитовых кирпичей размером 10×10×60 см 3. Активная зона его имела форму шара радиусом около 3 м . Отражателем нейтронов служил слой графита толщиной около 80 см , выложенный из тех же графитовых кирпичей. Кладка велась последовательно слоями в один кирпич.

В специальные вертикальные отверстия помещались стержни из металлического кадмия, предназначенные для управления реактором. Блоки из природного урана диаметром 3–4 см вкладывались также в вертикальные отверстия, высверленные в графитовых кирпичах активной зоны. После выкладки 54 слоя и извлечения управляющих стержней в реакторе началась цепная реакция, подтвердившая расчеты советских ученых.

Всего в реактор было загружено около 45 т природного урана и несколько сот тонн графита. В реакторе не был предусмотрен специальный теплоноситель, но за счет большой теплоемкости самой системы кратковременно удавалось поднимать мощность реактора до нескольких тысяч киловатт.

Пуск первого ядерного реактора имел фундаментальное значение для советской науки. Была доказана возможность осуществления цепной реакции с природным ураном и графитовым замедлителем. Опытные данные, полученные при работе с этим реактором, позволили уточнить теоретические расчеты и перейти к постройке других более совершенных реакторов.

Одним из таких реакторов явился реактор РФТ, специально предназначенный для экспериментальных физических и технических исследований. Введенный в эксплуатацию в апреле 1952 г., он безотказно работает и в настоящее время. Это — гетерогенный реактор на обогащенном металлическом уране с 15-процентным содержанием легкого изотопа 235; тепловая мощность его 10 тыс. квт .

Урановые блоки или стержни, называемые обычно тепловыделяющими элементами, выполнены в виде труб с внутренней и внешней оболочками из алюминиевого сплава (рис. 44, а ). Тепловыделяющие элементы в свою очередь вставлены в широкие алюминиевые трубы. В собранном виде такая система (рис. 44, б ) представляет собой рабочий канал ядерного реактора. Замедлителем служит графит и вода, которая циркулирует в рабочих каналах.

В процессе работы реактора выделяется энергия. Поэтому рабочие каналы нагреваются. Охлаждение производится с помощью дистиллированной воды, прогоняемой насосами через рабочие каналы и каналы охлаждения отражателя. Нагретая вода охлаждается в теплообменниках речной водой. В рабочий канал дистиллированная вода входит сверху, течет по кольцевому зазору между трубой канала и внешней поверхностью тепловыделяющего элемента и поднимается вверх по центральному каналу. Такое обтекание водой тепловыделяющего элемента обеспечивает хороший отвод тепла.