Ядерный реактор

    Ядерный реактор — это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Цепная реакция деления ядер была впервые осуществлена в декабре 1942 года. Группа физиков Чикагского университета, возглавляемая Энрико Ферми, создала первый в мире ядерный реактор, названный «Чикагской поленницей». В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1, необходимость которой возникла при проектировании первой советской атомной бомбы РДС-1. Ф-1 была запущена 25 декабря 1946 года в Москве под руководством Игоря Васильевича Курчатова. К 1978 году в мире работало уже около сотни ядерных реакторов различных типов. Составными частями любого ядерного реактора являются: активная зона с ядерным топливом, обычно окруженная отражателем нейтронов, теплоноситель, система регулирования цепной реакции, радиационная защита, система дистанционного управления.

    Управление  ядерной реакцией заключается в  регулировании скорости размножения  свободных нейтронов в уране, чтобы их число оставалось неизменным. При этом цепная реакция будет  продолжаться столько времени, сколько  это необходимо, не прекращаясь и  не приобретая взрывного характера.

    Рассмотрим  устройство и принцип действия реактора, в котором в качестве делящегося вещества (его называют также ядерным  топливом или горючим) используется в основном уран-235. В природном  уране этого изотопа недостаточно для протекания цепной реакции (всего 0,7%), поэтому природный уран обогащают, т.е. доводят содержание урана-235 до 5%.

    Реактор, работающий на этом изотопе урана, называется реактором на медленных нейтронах. Он назван так, потому что уран-235 наиболее эффективно делится под действием медленных нейтронов. Поскольку при делении ядер образуются в основном быстрые нейтроны, их необходимо замедлять. Для этого в реакторе с таким ядерным топливом используется замедлитель нейтронов.

    (Рисунок  реактора) Рассмотрим основные части реактора на медленных нейтронах. В активной зоне находится ядерное топливо в виде урановых стержней и замедлитель нейтронов – в данном случае вода.

    Масса каждого уранового стержня значительно  меньше критической, поэтому в одном  стержне цепная реакция происходить  не может (это делается специально из соображений безопасности). Она начинается после погружения в активную зону всех урановых стержней, т.е. когда масса  урана достигнет критического значения.

    Наименьшая  масса урана, при  которой возможно протекание цепной реакции, называется критической  массой.

    Активная  зона окружена слоем вещества, отражающего  нейтроны (отражатель), и защитной оболочкой  из бетона, задерживающей нейтроны и другие частицы.

    Для управления реакцией служат регулирующие стержни, эффективно поглощающие нейтроны. При их полном погружении в активную зону цепная реакция идти не может.  Для запуска реактора регулирующие стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор, пока не начинается цепная реакция деления ядер урана.

    Образующиеся  в процессе этой реакции нейтроны и осколки ядер, разлетаясь с большой  скоростью, попадают в воду, сталкиваются с ядрами атомов кислорода и водорода, отдают им часть своей кинетической энергии и замедляются. Вода при  этом нагревается, а замедленные  нейтроны через какое-то время опять  попадают в урановые стержни и  участвуют в делении ядер.

    Активная  зона реактора посредством труб соединяется  с теплообменником, образуя так  называемый первый замкнутый контур. Насосы обеспечивают циркуляцию воды в контуре. При этом вода, нагретая в активной зоне за счет внутренней энергии атомных ядер, проходя через теплообменник, нагревает воду в змеевике (согнутая спиралью трубка, употребляемая при перегонке жидкостей) второго контура, превращая ее в пар. Таким образом, вода в активной зоне реактора служит не только замедлителем нейтронов, но и теплоносителем, отводящим тепло.

    (Схема  устройств, в которых энергия  пара, образовавшегося в змеевике, преобразуется в электроэнергию) Посредством этого пара вращается турбина, которая, в свою очередь, приводит во вращение ротор генератора электрического тока. Отработанный пар поступает в конденсатор и превращается в воду. Затем весь цикл повторяется.

    Таким образом, при получении электрического тока на атомных электростанциях  происходят следующие преобразования энергии: часть внутренней энергии атомных ядер урана®кинетическая энергия нейтронов и осколков ядер®внутренняя энергия воды®внутренняя энергия пар®кинетическая энергия пара®кинетическая энергия ротора турбины и ротора генератора®электрическая энергия.   

      По характеру использования ядерные реакторы делятся на:

    Экспериментальные реакторы, предназначенные для изучения различных физических величин, значение которых необходимо для проектирования и эксплуатации ядерных реакторов.

    Исследовательские реакторы, в которых потоки нейтронов и гамма-квантов, создаваемые в активной зоне, используются для исследований в области ядерной физики, физики твёрдого тела, радиационной химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных потоках (в т. ч. деталей ядерных реакторов), для производства изотопов..

    Изотопные (оружейные, промышленные) реакторы, используемые для наработки изотопов, используемых в ядерных вооружениях.

    Энергетические  реакторы, предназначенные для получения электрической и тепловой энергии, используемой в энергетике, при опреснении воды, для привода силовых установок кораблей, самолётов и космических аппаратов, в производстве водорода и металлургии и т. д.