Виды ядерных реакторов

Начать нужно с того, что существуют нестабильные изотопы (в природе это только уран-235), ядра которых при распаде разрушается полностью, разбрасывая как крупные осколки, так отдельные свободные нейтроны, поглощающиеся соседними ядрами и провоцирующими их распад по такому же сценарию. Данный процесс именуется «цепной реакцией».Если оставить цепную ядерную реакцию без должного контроля, интенсивность распада будет нарастать по экспоненте. Что приведёт к взрыву.
В случаях, когда такой исход представляется нежелательным, применяется ядерный реактор, — устройство, позволяющее удержать интенсивность реакции на постоянном уровне. Обуздать протекающие в ядерном горючем процессы позволяют замедлитель, поглотитель и теплоноситель.Замедлителем именуется вещество, «притормаживающее» рождающиеся при распаде ядер нейтроны, в противном случае слишком быстро покидающие зону реакции. Лучше всего с этой задачей справляются вещества из первых строк Периодической таблицы. Ибо по закону сохранения импульса при столкновении с ядром свинца нейтрон отдаст ему всего 1% своей энергии, ядру же водорода пожертвует сразу половину.
Но водород, даже жидкий, имеет недостаточную для выполнения функций замедлителя плотность. Обычно, в качестве катализатора ядерных реакций используются вода или графит.Поглотитель вступает в игру в моменты, когда интенсивность распада требуется понизить, убрав из активной зоны лишние нейтроны. Наиболее часто для этой цели применяется бор. Точнее, его стабильный изотоп бор-10, охотно захватывающий нейтроны с образованием изотопа бор-11, также нерадиоактивного.Наконец, теплоноситель необходим для отвода избыточного тепла из зоны реакции. Задача лишь кажется простой, ибо от теплоносителя требуются исключительная радиационная стойкость, высокая температура кипения, прозрачность для нейтронов, хорошая теплоёмкость и химическая инертность. Хороших вариантов тут нет. Самым же дешёвым из плохих является вода.
Реакторы различаются между собой комбинацией замедлителя и теплоносителя. Наилучшую репутацию и наибольшее распространение имеет водо-водяной реактор. Из энергоблоков работающих ныне к данному типу относятся 65%, а среди строящихся почти все водо-водяные. Вода в таком реакторе используется в качестве замедлителя и теплоносителя одновременно. Устройство представляет собой сверхпрочный стальной котёл.
При затоплении горючего, замедленные водой нейтроны разжигают реакцию, контролируемую впрыскиванием в теплоноситель раствора борной кислоты. Перегретая до 322 градусов Цельсия, но, всё-таки, не кипящая, ибо давление в системе достигает 160 атмосфер, жидкость передаёт тепло второму контуру охлаждения, в котором тоже течёт вода, но не проходящая через ядерное пламя и не радиоактивная. Превращаясь в пар, она вращает турбины.Кипящий реактор можно считать американским вариантом водо-водяного котла, отличающийся образованием пара прямо в активной зоне. Понижение рабочего давления до 70 атмосфер позволяет удешевить производство, но сильно осложняет эксплуатацию установки. Ибо турбины в таком случае включаются в первый – радиоактивный – контур охлаждения. Для обслуживания или замены они недоступны.Остальные три типа получивших практическое распространение энергоблоков используют твёрдый замедлитель – графит. И, соответственно, имеют иную – канальную – конструкцию.
Теплоноситель проходит через заполненную горючим и блоками замедлителя – графита – активную зону по множеству труб, поглотитель же при необходимости вводится в неё в виде стержней из бористой стали. Такое устройство упрощает изготовление и позволяет дозаправлять реактор в процессе работы, но снижает его надёжность и, особенно, безопасность. Трубы вообще склонны протекать или прорываться. В частности, это касается и труб в реакторах.Канадские тяжеловодные реакторы, единственные из канальных, строительство которых продолжается и в наши дни. Изюминкой их устройства является использования в качестве теплоносителя тяжёлой воды (в состав молекул которой вместо водорода входит дейтерий). Такая вода, в отличие от обычной, нейтроны не поглощает. И это позволяет загружать в тяжеловодный реактор «естественный» – не обогащённый 235 изотопом – уран.Использвание природного урана – метод варварский. Реакция прекращается после выгорания лишь малой доли активного изотопа. Но обогащение урана — процесс чрезвычайно сложный, дорогостоящий и политически токсичный (так как заключается в покупке обогащённого урана в России).
С другой же стороны, радиоактивные отходы тоже не подарок в смысле токсичности. Там, где работающий на естественной смеси изотопов реактор даст 100 тонн отходов, обогащение до 3% сократит эту массу до 7, а 30% до 0.7 тонн. Так что, желающих сэкономить на обогащении не так уж много.Изобретением британских учёных можно считать газоохлаждаемые реакторы, в которых в качестве теплоносителя используется подающийся под давлением 10 атмосфер углекислый газ. Его химическая инертность позволяет резко снизить требования к коррозийной стойкости конструкции и применить в ней не поглощающие нейтроны материалы.
Ещё лучшим в этом плане вариантом является применявшийся в прошлом немцами гелий, в химическом смысле благородный, и не образующий, к тому же, радиоактивных изотопов под воздействием нейтронного облучения. Но теплоёмкость углекислоты недостаточна, а гелия – просто неудовлетворительна, что приводит к снижению мощности установки. Британские газоохлаждаемые реакторы также непригодны для использования необогащённого урана и теперь готовятся к выводу из эксплуатации.Наконец, советским по происхождению является графито-водный реактор. Именно такой ещё в 1954 году был введён в эксплуатацию на первой в мире Обнинской АЭС. Но советскому примеру никто последовать не рискнул, ибо при использовании для охлаждения канального реактора обычной, лёгкой воды, её вклад в замедление нейтронов (с этим отлично справлялся графит) оказывался меньше, чем в их поглощение. В результате возникал эффект «положительной реактивности». В случае перегрева реактора вода выкипала, и реакция разгонялась.Разумеется, никакой опасности графито-водный реактор не представлял. Он просто, единственный из всех, не обладал 100% защитой от оператора. Если разом остановить все охлаждающие активную зону насосы, затем отключить систему аварийной защиты и в ручном режиме полностью извлечь стержни поглотителя, реактор мог пойти вразнос… В настоящий момент графито-водная конструкция была признана морально устаревшей.Есть ещё реакторы на быстрых нейтронах, но это отдельная тема.
Игорь Край
***
Источник.
НАВЕРХ.