Физические основы работы и устройство ядерных реакторов АЭС

Устройство, в котором осуществляется контролируемая самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер тяжелых металлов (в основном урана), называется ядерным реактором.

Цепная ядерная реакция — процесс, когда в результате взаимодействия нейтронов с ядрами урана появляются радиоактивные ядра-осколки и нейтроны, которые, в свою очередь, взаимодействуют с соседними ядрами урана, вызывая и их деление. При этом деление продолжается с быстрым увеличением числа делящихся ядер.

При делении тяжёлого ядра выделяется примерно 200 МэВ и более 80 % этой энергии составляет кинетическая энергия осколков деления.

Если число нейтронов, вызвавших деление ядер урана, в каждом следующем "поколении" не меньше, чем в предыдущем, то возникает самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция.

Необходимым условием для осуществления цепной реакции является наличие достаточно большого количества урана, так как в образцах малых размеров большинство нейтронов пролетает сквозь образец, не попав ни в одно ядро. Минимальная масса урана, достаточная для осуществления цепной реакции, называется критической массой. Для урана-235 она составляет примерно 50 кг.

Если при осуществлении цепной реакции число делящихся ядер урана лавинообразно возрастает, происходит взрыв, при котором практически мгновенно выделяется огромная энергия. По этому принципу устроена атомная бомба.

Если в цепной реакции число деля­щихся ядер остается постоянным, реакция протекает не в виде взрыва, а стационарно.

Для распада атомного ядра урана необходимо попадание в него нейтрона с определенной энергией.

Энергия нейтронов, образующихся при делении ядер урана-235,  больше необходимой (нейтрон просто оттолкнется от ядра, не проникнув в него), поэто­му  возникает необходимость в замедлителях нейтронов. Замедленные нейтроны до скорости теплового движения атомов называются тепловыми. Для этого необходимо вещество, обладающее свойством замедлять нейтроны, не поглощая их.

Природная руда урана числом содержится лишь 0,7%.  урана-235, остальные 99,3% приходятся на долю урана- 38, для деления которого, энергии нейтронов, не хватает. В ядерных реакторах на тепловых нейтронах используется обогащенную смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3 %).

Схема цепной реакции на тепловых нейтронах приведена на рис. 5.1.

Рис.5.1. Схема цепной реакции на тепловых нейтронах

 

Плутоний в ядерных реакторах на тепловых нейтронах образуется в очень небольших количествах.

Устройство ядерного реактора на тепловых нейтронах приведено на рис.5.2.

Рис.5.2. Устройство ядерного реактора

В активной зоне ядерного реактора располагаются:

1. Ядерное топливо - обогащенная смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3 %).

2. Замедлители нейтронов. В качестве замедлителя нейтронов может использоваться используют чистый графит — он замедляет нейтроны, не поглощая их.

3. Управляющие стержни, позволяющие регулировать скорость протекания реакции. Чаще всего это бор или кадмий, которые достаточно сильно поглощают нейтроны. Чем больше поглощено нейтронов, тем меньше ядер урана делиться, и, соответственно, снижается скорость реакции. Чем глубже погружаются стержни, тем меньше выделяется тепла, и наоборот.

4. Активная зона находится в экранирующей оболочке из вещества способного возвращать в активную зону большую часть вылетающих нейтронов.  Применение экранирующей оболочки позволяет уменьшить массу делящегося вещества в активной зоне.

Другим способом решить проблему необходимости замедления нейтронов является создание реакторов без необходимости их замедлять - реакторов на быстрых нейтронах. В таком реакторе основным делящимся веществом является не уран, а плутоний который расщепляется быстрыми нейтронами. Уран-238 выступает как дополнительный компонент реакции.  Ядра  урана-238, поглощая нейтроны, превращаются в ядра плутония, которые затем можно использовать в качестве ядерного топлива.

Если такой «быстрый» реактор загрузить плутониевым топливом в смеси с неделящимся U-238, то в процессе его работы в нем будет образовываться плутоний в количестве, превышающем массу сгоревшего в процессе работы топлива.