Ядерный реактор

Ядерный реактор — это устройство, в котором поддерживается ядерная реакция деления на уровне k=1. В качестве ядерного топлива используют изотопы урана , плутония , тория .

Ядерное топливо, используемое в реакторах на медленных нейтронах, обогащено изотопом U²³⁵ до 2–4 % вместо 0,7 % в природной смеси U²³⁵ и U²³⁸ и размещено в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) ядерного реактора.

ТВЭЛы отделены друг от друга замедлителями нейтронов, в качестве которых используют графит, бериллий, органические жидкости, воду (обычную H₂O и тяжелую D₂O) и т.д.

В активную зону реактора вводят также управляющие стержни, вещество которых сильно поглощает нейтроны (обычно это сплавы кадмия). Коэффициент размножения нейтронов регулируется положением этих стержней в активной зоне и автоматически поддерживается равным единице. Для экстренной остановки ядерной реакции в случае аварии управляющие стержни быстро вводятся в активную зону специальным устройством.

Для отвода теплоты из активной зоны реактора используют теплоноситель, который циркулирует по замкнутой схеме, — это воздух, водяной пар, гелий, углекислый газ и т.д. Нагретый теплоноситель вращает турбину генератора и затем возвращается в активную зону.

Ядерные реакторы на медленных нейтронах характеризуются низким коэффициентом использования ядерного горючего. Несравненно более высокий коэффициент использования урана может быть достигнут в реакторах-размножителях на быстрых нейтронах (бридерные реакторы). В этих реакторах в качестве первоначального топлива используется смесь U²³⁵ и U²³⁸, в которой доля U²³⁵ достигает 30 %. Изотоп U²³⁸ делится, поглотив только быстрый нейтрон с энергией ~10 МэВ, а нейтроны меньшей энергии эффективно поглощает, давая начало цепочке реакций:

,

(36.26)

Изотоп плутония имеет период полураспада 2,4×10⁴ лет и в природных условиях не существует. Цепочка ядерных превращений (36.26) приводит к накоплению плутония в бридерных реакторах за счет переработки U²³⁸. Количество производимого плутония больше, чем количество истраченного U²³⁵, т.е. бридер размножает ядерное горючее. Химической переработкой отработанного топлива плутоний извлекается и используется далее в реакторах на медленных нейтронах.