ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР
КАКИЕ БЫВАЮТ РЕАКТОРЫ?
Ядерный реактор в совершенном его виде является чудесным источником, способным непрерывно поставлять человеку энергию, скрытую в ядрах атомов урана и плутония. Устройство его оказалось, по сути дела, сравнительно несложным, а регулировка и контроль за его работой вполне надежными.
Ядерный реактор — основа современной атомной техники.
Принципиальная сторона процессов, происходящих в атомных котлах, нам уже известна из предыдущих глав. Рассказать о всех существующих и проектируемых типах реакторов нам, конечно, не удастся, да вряд ли это и нужно. Поэтому здесь мы познакомимся только с некоторыми основными типами.
Ядерные реакторы можно классифицировать по целому ряду признаков, например по тому, какой в них применяется замедлитель. Если расщепляющиеся материалы — уран и плутоний — размещаются небольшими порциями, отделенными одна от другой замедлителем, то такие реакторы называются гетерогенными.
Существуют реакторы гомогенного типа. В них уран перемешан с замедлителем, например очень мелкий порошок урана или же какая-нибудь его соль растворена в обычной или тяжелой воде.
Иногда для этой цели применяют и другие жидкие замедлители.
Существуют реакторы, которые вовсе не имеют замедлителя. Они работают на быстрых нейтронах, в них происходит деление чистого урана-235, плутония-239 или урана-233.
Можно классифицировать реакторы с точки зрения энергии используемых в них нейтронов. Тогда говорят об атомных реакторах на быстрых промежуточных или медленных нейтронах.
Можно делить реакторы, исходя из того, для каких целей они служат: например, реакторы для производства плутония, реакторы для научно-исследовательских целей без производства плутония, реакторы для получения тепла, используемого для генерирования электроэнергии или в двигателях, и, наконец, реакторы смешанного типа, могущие быть одновременно и тем, и другим, и третьим.
В последние годы реакторы чаще всего классифицируют по виду используемого в них замедлителя и по теплоносителю: например, водо-водяной, графитоводяной и т. п.
И В КАРАНДАШЕ, И В РЕАКТОРЕ
По возрасту реакторы с замедлителем из графита самые старшие. Первый такой реактор был сооружен в 1942 году под руководством Э. Ферми. Мы уже рассказывали о его устройстве. Подавляющее большинство построенных по сей день реакторов в качестве замедлителя имеют графит.
Внешне современный гетерогенный реактор похож на многоэтажную боевую рубку военного корабля. Такие же мощные серые стены, множество отверстий, заделанных массивными дверями или крышками на сложных запорах, переходные мостики, опоясывающие сооружение на разных этажах, большое количество самой различной аппаратуры и инструментов, напоминающих какие-то неведомые орудия. Подъемные краны, лебедки и лифты усугубляют впечатление внушительности сооружения.
Одна из конструкций гетерогенного реактора со стороны, с которой в него закладываются патроны с ураном.
Скелетом реактора является громадная рама, собранная из большого количества рядов горизонтально или вертикально расположенных длинных алюминиевых труб, напоминающих соты гигантских ульев.
Трубы эти открыты с одного или с обоих концов, и в них вставляются один за другим множество небольших, запаянных в рубашку патронов с природным ураном или сплошные стержни.
После того как уран-235 по истечении определенного времени расщепится, патроны извлекаются наружу. Во время работы реактора отверстия труб закрыты толстыми многослойными пробками, не пропускающими опасные радиоактивные излучения.
Уран размещается в трубах только в центральной части реактора — в его рабочей зоне, примерно на расстоянии 2— 3 м от его стен. В полученную таким образом пространственную решетку реактора может входить несколько десятков тонн природного урана.
Все свободное пространство между трубами в рабочей зоне реактора заполнено кирпичами, сделанными из графита высокой чистоты, какой только может получить современная химическая промышленность. Даже миллионная часть примеси к графиту каких-либо других веществ, большинство которых, как правило, поглощает нейтроны, в несколько раз снижает полезный поток нейтронов, пронизывающих реактор.
В обычном урано-графитовом реакторе используется несколько сот тонн такого графита.
В толще реактора имеются каналы, в которые до запуска реактора вдвигается несколько пластин, покрытых слоем вещества. поглощающего нейтроны. Никакими силами нельзя запустить атомный котел, пока в него полностью вдвинуты эти пластины. Они так и рассчитаны.
Реакция начнется только тогда, когда пластины одну за другой постепенно извлекают из реактора. Количество нейтронов, поглощаемых в них, постепенно уменьшается, и, наконец, наступает момент, когда в реакторе начинается медленное нарастание ядерной реакции. Понемногу выдвигая эти пластины дальше, можно среднее количество нейтронов, участвующих в цепной реакции, увеличить еще больше, и тогда мощность реактора дойдет до предельной. Мы уже говорили об этом процессе.
Обычно для регулировки скорости цепной реакции используют всего одну-две кадмиевые пластины. Остальные две-три пластины всегда стоят наготове, чтобы при нажатии кнопки, в случае если скорость реакции превысит безопасные границы, мгновенно ввести их внутрь реактора. Если подача электрического тока к системе управления ядерного реактора по каким-либо причинам прекратится, то пластины автомата чески вдвинутся или упадут внутрь реактора и заглушат его.
Так, собственно говоря, и производится управление реактором, то есть ходом цепной реакции в нем.
После заполнения графитом промежутков между трубами все рабочее пространство реактора окружают сплошной толстой оболочкой из графита. Эта оболочка и служит отражателем нейтронов. Наличие такого отражающего слоя позволяет значительно уменьшить количество закладываемого в реактор урана за счет более полного использования наличных нейтронов.
С первой же секунды работы реактора в нем начинают появляться в непрерывно нарастающих количествах радиоактивные продукты расщепления урана-235, которые, оставаясь в рабочей зоне реактора, способны поглощать нейтроны, тем самым уменьшая их общий поток.
Это поглощение со временем увеличивается настолько, что нормальная работа реактора становится затрудненной и приходится производить замену урановых стержней, даже несмотря на то, что в них осталось еще некоторое количество нерасщепившегося урана-235.
В толще реактора обычно устраивается целый ряд каналов — слепых или сквозных. В одни из них вводится измерительная аппаратура: ионизационные приборы, позволяющие контролировать ход цепной реакции и автоматически ее регулировать; счетчики, измеряющие плотность потока нейтронов (количество нейтронов, проходящих через поверхность площадью 1 см2/сек), термометры для измерения температуры в разных зонах и узлах реактора и т. д.
В другие каналы помещают патроны, наполненные различными веществами, которые подвергают действию мощного потока нейтронов, например для получения искусственных радиоактивных элементов или изучения влияния различных радиоактивных излучений на разнообразные материалы.
В ряде конструкций облучаемые материалы вводятся в реактор и извлекаются из него при помощи специальных мощных пневматических устройств. Патрон с подлежащим облучению веществом при помощи сжатого газа (мало поглощающего нейтроны гелия) выстреливается внутрь реактора и через определенное время выстреливается из него обратно прямо в измерительную установку.
Для научных исследований очень важно получить потоки нейтронов с определенной плотностью или определенной энергией. Поэтому реакторы имеют специальные приспособления для вывода этих нейтронов из самой середины реактора наружу.
Для ряда исследований необходимы замедленные нейтроны. Чтобы вывести их из центра реактора, в его толще проделано отверстие сечением до 1,5 м, в которое входит конец графитовой колонны. Попадающие в нее нейтроны замедляются так же, как и в обычном графитовом замедлителе. Колонна эта сплошная, нигде не пересекающаяся урановыми стержнями и защитными слоями. По ней сильно замедленные нейтроны выводятся наружу, где и попадают в соответствующие установки.
Выходное отверстие графитовой колонны закрыто массивной многослойной пробкой из свинца, кадмия и стали. В пробке могут открываться и закрываться отверстия любого необходимого диаметра.
Обычно все устройства и приборы, которыми оснащается реактор, устанавливаются в специальных лабораториях, размещаемых в примыкающих к нему помещениях (иногда на крыше реактора). В эти помещения и выводятся концы графитовой колонны и каналов, пронизывающих реактор в различных направлениях.
Охлаждение ураново-графитового реактора осуществляется несколькими способами.
Маломощные, а также некоторые экспериментальные реакторы выделяют сравнительно небольшие количества тепла, поглощаемого, а затем рассеиваемого массой тела всего реактора. Специальной системы охлаждения они не требуют.
Более мощные реакторы охлаждаются потоком воздуха или какого-нибудь газа, продуваемого сквозь многочисленные отверстия в графитовых блоках замедлителя и в отражающей рубашке. Часто для охлаждения используется вода или какая-нибудь другая жидкость, пропускаемая сквозь аналогичные отверстия в реакторе. При этом и вода и воздух становятся радиоактивными.
Весьма важным элементом реактора является его так называемая биологическая защита от радиоактивных излучений.
Кроме того, надо защититься и от самых коварных микрочастиц — нейтронов. Они очень активно взаимодействуют с различными элементами, создавая в них наведенную радиоактивность.
Чтобы полностью обезопасить людей, обслуживающих реактор, его окружают стеной из бетона и веществ, сильно поглощающих все вредные излучения. Эта стена имеет толщину не менее 2,0—2,5 м и окружает не только сам реактор, но и почти все его вспомогательные устройства.
Столь мощная защита значительно увеличивает объем и вес реактора. На каждый кубический метр его полезного объема приходится от 40 до 100 т бетонной или иной защиты.
РЕАКТОР С ТЯЖЕЛОЙ ВОДОЙ
Ядра атома углерода в шесть раз тяжелее дейтронов (ядер тяжелого водорода) и поэтому примерно во столько же раз хуже замедляют нейтроны. Значит, применение тяжелой воды в качестве замедлителя нейтронов, кроме ряда чисто физических преимуществ, позволяет значительно уменьшить объем, а следовательно, и вес реактора. В ряде случаев это является решающим обстоятельством.
Помимо этого, тяжелая вода может одновременно быть использована и в качестве охлаждающей среды.
Вот как устроен один из таких реакторов (см. стр. 193).
Основой его служит алюминиевый бак диаметром около 2 м и высотой примерно 2,5 м с толстыми и прочными стенками. В бак входит около 6,5 т тяжелой воды.
Своим верхним фланцем бак опирается на колодец, выложенный из графитовых блоков толщиной около 60 см. Этот колодец служит отражателем нейтронов.
Колодец снаружи заключен в двухслойную металлическую рубашку толщиной 10 см, сделанную из слоев кадмия и свинца. Назначение рубашки довольно хитрое: нейтроны, которые, несмотря на толстый отражающий слой графита, все же проникнут сквозь него, поглощаются в кадмиевом слое рубашки. Поглотив нейтроны, ядро атома кадмия становится радиоактивным и, распадаясь, излучает гамма-лучи, которые и задерживаются (ослабляются) свинцовым слоем рубашки.
Разрез реактора с тяжелой водой.
Сверху бак закрыт массивной металлической крышкой, в которой в вертикальном положении закреплены 120 алюминиевых трубок длиной 185 см и диаметром 2,5 см каждая. В эти трубки вставляются специальные стержни с запаянными в алюминиевые патроны слитками урана весом по 2,5 кг каждый. В такую напоминающую гигантскую щетку обойму вмещается до 2,5 т природного урана.
К крышке бака прикреплено также несколько труб, в которые опускают необходимые для работы реактора измерительные приборы и вещества, подлежащие облучению мощным нейтронным потоком. В других трубах находятся кадмиевые стержни, регулирующие ход цепной реакции. Снаружи реактор с тяжелой водой, так же, как и все другие, обнесен бетонной стеной толщиной 2,5 м. Для облегчения доступа к реактору верхняя, углубленная в бетонный колодец часть закрыта многометровой съемной подушкой из нескольких слоев свинца, кадмия и стали.
Реактор охлаждается той же самой водой, которая служит в нем замедлителем нейтронов. Она непрерывно циркулирует между баком и холодильником, который, в свою очередь, или охлаждается обычной речной водой, или обдувается мощным потоком охлажденного воздуха.
Помимо кадмиевых стержней, для аварийной остановки реактора служит еще специальный выпускной клапан — через него в течение нескольких минут можно выпустить в специальный запасной бак тяжелую воду из рабочего бака. Без замедлителя цепная реакция в природном уране немедленно прекращается, так как быстрые нейтроны начинают поглощаться ураном-238, и коэффициент размножения падает, становясь меньше единицы.
В остальном реактор с тяжелой водой оснащен так же, как и урано-графитовый.
ГОМОГЕННЫЙ РЕАКТОР
Свое название реактор получил от того, что, в отличие от рассмотренных выше типов, в нем уран распределен в замедлителе не отдельными порциями, а равномерно.
Для этого в тяжелой воде растворяют одну из солей урана, например, сульфат уранила. Обычно реакторы подобного типа работают на обогащенном уране, в котором искусственно увеличено количество делящегося изотопа — урана-235.
Сердцем гомогенного реактора является сфера из нержавеющей стали диаметром 30 см. В ней и находится раствор соли урана в тяжелой воде.
Гомогенный реактор. Сбоку показана рабочая зона — сфера из нержавеющей стали, в которой находится раствор соли урана в тяжелой воде.
Благодаря высокой концентрации урана-235, исключительно малому размеру реактора и применению тяжелой воды в качестве замедлителя цепная реакция в нем может начаться, когда в растворе будет находиться всего лишь около 1 кг урана-235.
В этом отношении реактор довольно близок по размерам к атомной бомбе. Однако такой реактор является саморегулирующимся, то есть практически взрывобезопасным. Происходит это саморегулирование следующим образом.
Когда скорость цепной реакции в уране, а следовательно, и развиваемая реактором мощность, увеличиваются, сильно повышается температура раствора. Вследствие этого его объем, а значит, и расстояние между ядрами атомов водорода, входящего в состав воды, увеличиваются. Количество столкновений нейтронов с ядрами водорода в этом случае, естественно, уменьшается. Для того чтобы в этих условиях скорость нейтронов замедлилась до тепловой, потребуется значительно больше времени, чем раньше. Скорость реакции вследствие этого замедляется, и мощность реактора падает; температура раствора понижается, атомы водорода снова сближаются, и скорость реакции восстанавливается на заданном уровне.
Несмотря на такую способность раствора солей урана автоматически самоограничивать скорость течения цепной реакции, реактор все же снабжен комплектом кадмиевых стержней для тонкой регулировки хода реакции, ее уменьшения и для полной остановки котла в случае необходимости или аварии.
Рабочая сфера реактора заключена в облегченную двухслойную отражательную оболочку из графита и бериллия. Внутри оболочки помещен змеевик, по которому прогоняется обычная вода, охлаждающая раствор урана и уносящая тепло к месту его использования.
Гомогенный реактор — самый маленький из всех других известных типов, и его мощность может быть доведена до очень высокого уровня, ограничиваемого лишь способностью змеевика отводить тепло.
Но, увы... он так же, как и все другие, должен заключаться в бетонную защитную оболочку с толщиной стен не меньше 2,0—2,5 м.
В самый центр сферы вводится еще одна трубка, для того чтобы через нее можно было вывести из самого «горячего» места реактора мощный поток нейтронов к разного рода измерительным установкам.
Область использования таких реакторов — научно-исследовательские работы, производство радиоактивных изотопов и очень компактный источник энергии для двигателей.
К некоторым более существенным деталям устройства различных типов реакторов мы еще будем возвращаться в следующих главах книги.
АТОМНОЕ «ПЛАМЯ» ПОД ВОДОЙ
Идея этого реактора возникла из желания изучить способность обычной воды поглощать излучения, возникающие в реакторе, а также исследовать возможность использования в качестве замедлителя нейтронов обыкновенной воды вместо дорогостоящей и остродефицитной тяжелой. Решение обеих этих проблем исключительно важно для использования ядерного реактора в качестве источника энергии для всевозможных двигателей.
Устройство реактора, погруженного в воду.
Собственно реактор представляет собой клетку из алюминия с размерами 40 X 30 X 60 см, в которую вставлено большое количество кассет с пластинами обогащенного урана. Отражающим слоем для нейтронов служит оболочка из тонкого слоя окиси бериллия. При помощи легкой фермы, укрепленной на мостовом кране, реактор погружается в бассейн с обыкновенной водой емкостью около 400 см3. Мостовой кран установлен на тележках, которые передвигаются по специальному рельсовому пути, проложенному вдоль бассейна.
Благодаря такому устройству реактор может быть установлен в любой точке бассейна и опущен на любую глубину. Замедлителем нейтронов в нем служит проникающая в пространство между урановыми пластинками вода бассейна, которая одновременно является и охладителем реактора.
Бетонные стены бассейна служат одновременно дополнительной биологической защитой.
