Как работает ядерный реактор?

Какова физическая основа ядерной энергетики?

Это реакция деления тяжелых ядер (в первую очередь _ урана и плутония) на два ядра-осколка под действием нейтронов. При этом тяжелое ядро распадается на два ионизиро­ванных (положительно заряженных) ядра-осколка сравнимой массы. Под действием силы кулоновского отталкивания они разлета­ются, в итоге большая часть высвободившейся внутриядерной энергии переходит в кинетическую энергию их разлета. Пробег таких оскол­ков в веществе невелик (микроны), поэтому при торможении происходит интенсивный на­грев сравнительно небольшого объема этого вещества. Локализовав цепную ядерную реак­цию деления в таком объеме и предусмотрев систему теплосъема, можно использовать вы­деляющееся тепло, что и происходит на атом­ной электростанции.

Как работает ядерный реактор?

При всем разнообразии конструкций ядер­ных реакторов все они имеют одинаковые по функциональному назначению элементы и технологические системы. Основным элемен­том реактора является активная зона - конструк­тивно выделенный объем, куда загружается ядерное топливо и где протекает управляемая цепная реакция. Уран-235, являющийся основой ядерного топлива, делится медленными ней­тронами гораздо лучше, чем быстрыми, поэтому важным элементом подавляющего большинства реакторов является замедлитель - вещество, при соударении с ядрами которого нейтроны деления теряют свою первоначальную, до­вольно высокую, энергию, вплоть до тепловой (кинетическая энергия тепловых нейтронов, очень малая, соответствует температуре окру­жающей среды). Такие реакторы называются реакторами на тепловых нейтронах. Однако при применении в качестве замедлителя дешевой обычной воды цепная реакция в естественном уране не развивается - слишком велико погло­щение нейтронов в ней. Поэтому в этом случае необходимо обогащение ядерного топлива по урану-235 - с 0,71% в природном уране до 3,5-5%. Активные зоны реакторов на быстрых ней­тронах лишены замедлителя, потому для достижения цепной реакции де­ления концентрация урана-235 (или плуто­ния) в их ядерном топливе гораздо выше.

Цепная реакция деления ядер урана-235 нейтронами

-ядра урана-235

-ядра осколки (разлетающиеся с энергией Е)

- нейтроны

Схематическая картина цепной реакции деления урана-235 нейтронами. Для простоты предполагается, что во всех актах деления испускается одинаковое число нейтронов (три) и их потери отсутствуют (все они, в свою очередь, вызывают деление новых ядер урана). Из продуктов третьего поколения деления изображены только нейтроны.