Однородные и неоднородные реакторы

 

 

Виды реакторов

Схема работы воспроизводящего реактора.

Реакторы разнообразны. Их различают по способу применения, по виду ядерного «топлива» и по принципу его расположения. Кроме того, иногда реакторы определяют по используемым нейтронам — замедляются они там или нет. Есть, например, реактор на быстрых нейтронах, без замедлителя. Только для него необходимо ядерное топливо, склонное к захвату нейтронов любых энергий.

Реакторы, в которых делящийся элемент (чаще всего уран) располагается в замедлителе через определенные промежутки, называют неоднородными. Ведь здесь идет замедлитель, потом урановый блок, снова замедлитель и снова ядерное топливо. Мы уже говорили о таком котле.

Существуют и однородные реакторы. Там не отличишь ядерного топлива от замедлителя, так как соли урана в них растворяются обыкновенной или тяжелой водой. Правда, для реакторов с обычной водой приходится прибегать к сложному процессу — обогащать природный уран, т. е. повышать в нем содержание хорошо делящегося изотопа — урана-235. Без этого цепная реакция невозможна: она сразу же затухает.

Интересно свойство однородного котла саморегулироваться. Если число делений урана в нем начинает возрастать, то сразу же увеличивается выход энергии. Температура жидкости увеличивается. И, как только возрастет температура, жидкость начнет расширяться, расстояние между соседними ядрами урана увеличится, число их делений упадет, мощность снова возвратится к своему первоначальному значению. Точно так же регулируется и резкое уменьшение числа делений.

Пожалуй, самые замечательные ядерные реакторы — воспроизводящие.

Мы уже говорили, что замедлившиеся нейтроны могли быть захвачены ядром урана-238. Но при этом захвате нейтронов образуется новый элемент периодической системы — нептуний. Распадаясь, он в свою очередь дает еще один элемент — плутоний, прекрасное атомное топливо. Ядра его делятся всеми нейтронами и с успехом могут заменить уран-235. Кроме урана, делится и другой тяжелый элемент — торий. Но он не дает цепной реакции. Количество рождающихся в нем нейтронов невелико: их не хватает для компенсации потерянных при делении. Зато он, как и уран-238, может стать источником нового ядерного сырья. Захватывая нейтрон, ядро тория превращается в ядро еще одного изотопа — урана с атомным весом 233. Он подобен урану-235, т. е. прекрасно делится всякими нейтронами.

Значит, на смену ядрам урана-238 и тория могут появиться другие хорошо делящиеся ядра.

Схема воспроизводящего реактора проста. Обычный атомный котел окружают толстой «подушкой» из урана-238 или тория. Отражателя у котла нет, и нейтроны свободно проникают в ядра «подушки». Здесь-то они и воспроизводят новое топливо. В зависимости от величины слоя урана-238 или тория и мощности реактора может возникнуть топлива даже больше, чем тратится в атомном котле.

Перенос энергии

 

 

Атом работает в первом атомном ледоколе «Ленин».

В реакторах освобождается огромная энергия, скрытая в ядре атома. Используют ее самыми разнообразными способами.

В те дни, когда атомная энергия была лишь предметом мечты, воображению представлялись чудесные двигатели — небольшие, не требующие громоздких запасов топлива и в то же время развивающие колоссальные мощности. Сейчас мечта стала явью: атом движет машины, уже плавает атомный ледокол «Ленин».

Но пока что двигатели на ядерном топливе — очень сложные сооружения. Ведь реактор испускает опасные лучи и частицы, и его нужно окружать надежной стеной.

Правда, на судах можно не защищать его со всех сторон — одну из защитных стенок прекрасно заменит дно корабля. Вес морского двигателя будет меньше, чем сухопутного. Но все равно атомные двигатели пока еще очень громоздки.

А сама работа ядерного реактора в качестве двигателя в общем мало отличается от работы его на атомных электростанциях, на которых турбины движутся теплом, выделяемым делящимися ядрами. Турбины в свою очередь вращают генераторы. На атомном ледоколе предварительно создается электрический ток, которым питаются двигатели этого корабля.

Как передается двигателям и турбинам освобожденная внутриатомная энергия?

При делении ядер тяжелых атомов образуются осколки. С колоссальной скоростью разлетаются они в разные стороны и уносят с собой освобожденную энергию. Замедляясь, они передают свою энергию окружающим атомам. В результате повышается температура. Так как деление идет все время, то и тепла накапливается все больше и больше. Его необходимо отводить из реактора.

И тут на арену появляется теплоноситель. Само название показывает, что он обязан «тепло носить». «Носит» тепло он из атомного реактора, а передает его паровой машине или турбине.

Так все время и циркулирует теплоноситель: сначала забирает тепло в реакторе, потом отдает его и охлаждается, затем снова нагревается. При этом в реакторе поддерживается постоянная температура, а освобожденная энергия регулярно поступает в тепловую машину.

Чем быстрее перемещается теплоноситель, тем больше тепла он может забрать. Зависит это и от самих веществ, переносящих тепло: воды, расплавленных металлов, газов. Есть различные виды теплоносителей.

Первые киловатт-часы

 

 

Первенец ядерной энергетики — советская атомная электростанция. Она дала ток 27 июня 1954 г. Этот день по праву можно считать первым днем новой эры — эры мирного атома.

Реактор первой «атомной фабрики электричества» неоднородный. Замедлителем здесь служит графит. Источники энергии — урановые стержни. В обычном уране ядер урана-235 только 1/140 часть, а в урановых стержнях нашей первой электростанции уже 1/20 всех ядер. Это, конечно, повышает стоимость топлива, но зато размеры реактора уменьшаются.

В реактор погружено 128 семиметровых стержней. Они содержат 550 кГ ядерного топлива. Между двумя металлическими стенками стержней на глубину 170 см засыпается металлический уран. Весь реактор надежно укрыт массивными чугунными плитами.

В реакторе для передачи тепла есть две замкнутые системы из металлических трубок — два контура. В них циркулирует вода, очищенная от всех примесей. Вода первого контура проходит сверху вниз через урановые стержни, нагревается и отдает тепло парогенератору. Парогенератор и турбина соединены во второй контур. Таким образом вода первого контура нагревает воду второго.

Схема действия атомной электростанции: 1—ядерный реактор; 2—теплообменник; 3—фильтр; 4—паровая турбина; 5—генератор; 6—конденсатор; 7—деаэратор; 8—пусковой конденсатор; 9—резервный конденсатор; 10—насосы; 11—расширитель.

Не случайно, что оба контура замкнуты и вода в них не смешивается. Ведь вода первого контура находится под воздействием нейтронов и сама становится радиоактивной. Значит, появляется источник опасных для людей излучений. Другое дело вода второго контура. Это обычная очищенная вода. Она не принесет вреда ни людям, ни машинам. Пар этой воды и движет турбину.

Чем горячее пар, попадающий в турбину, тем выше ее коэффициент полезного действия. Чтобы вода второго контура сильнее нагревалась и легче превращалась в пар, нужно сильнее нагревать воду первого контура.

Но, чтобы вода не закипела, в первом контуре повышают давление до 100 атм. При таком большом давлении вода останется водой и не превратится в пар. Во втором же контуре, наоборот, необходимо, чтобы вода скорее закипала. Поэтому давление здесь небольшое — всего 12,5 атм.

Отдав свое тепло парогенератору и охладившись с 270 до 190°, вода первого контура снова возвращается в реактор, чтобы забрать очередную порцию тепла.

Управление атомной электростанцией сосредоточено на центральном щите. Сюда приходят сигналы от приборов, бдительно следящих за работой этого сложного механизма — за температурой, давлением, количеством нейтронов.

Так устроена первая в мире электростанция на ядерном «горючем». Фактически это тепловая электростанция. Только тепло в ней получается не за счет сгорания обычного топлива, а при помощи внутриядерного распада.