1. Введение

В широком смысле слова физика изучает процессы, происходящие в окружающем человека материальном мире. Если изучаются процессы в отдельных выделенных объектах материального мира, то говорят о физике объекта. В этом смысле можно говорить о физике Солнца, Земли, атома, ядра и т.д.

В теме 1 настоящего курса приведены сведения об основных процессах, которые происходят с ядрами различных атомов при их взаимодействии друг с другом, а также с элементарными частицами из которых они состоят (протоны и нейтроны). В настоящей теме (тема 2) эти сведения используются для первоначального ознакомления с основными процессами, которые протекают в таком сложном объекте, каким является ядерный реактор.

Необходимо заметить, что этот объект создан не природой, а человеком на основе полученных знаний и в результате целенаправленной деятельности. Поэтому под физикой ядерного реактора понимается знание об основных процессах, обеспечивающих его функционирование и целевое назначение. Немаловажное значение имеют также знания о процессах, обеспечивающих технологичность изготовления ядерного реактора и безопасность его эксплуатации. Последнее обусловлено широким использованием ядерных реакторов в различных отраслях деятельности человека (например, научные исследования) и современной технологии производства электроэнергии, тепла, новых материалов и т.п.

Это можно пояснить описанием того, что понимается под термином «ядерный реактор» и какие основные процессы обеспечивают его функционирование.

1.1. Типы ядерных реакторов и основные процессы в них

В современной технологии реактором называют устройство, в объеме которого при определенных внешних условиях достаточно длительное время осуществляются физические процессы превращения (преобразования) одних объектов материального мира в другие. При этом свойства объектов изменяются (вплоть до полного исчезновения старых и появления новых). Понятие реактора было введено в практической химии и теплотехнике, которые представляют собой прикладные области физики.

В химическом реакторе при определенных внешних условиях (давление, температура) осуществляется процесс превращения одних молекул вещества в другие с соответствующим изменением свойств вещества. Основу таких превращений во всем объеме реактора составляют элементарные процессы кратковременных взаимодействий молекул, в результате которых изменяется их число и вид. Такие элементарные процессы называются химическими реакциями. Хорошо известна, например, химическая реакция, которая может возникать в газообразной смеси водорода и кислорода ("гремучей смеси"). При увеличении температуры в каком-то месте объема смеси увеличивается средняя кинетическая энергия молекул водорода (Н₂) и кислорода (О₂). Увеличение кинетической энергии молекул приводит к тому, что в указанном месте объема молекулы смеси могут сблизиться на столь малые расстояния (пусть кратковременно), при которых в результате взаимодействия из двух молекул водорода (Н₂) и одной молекулы кислорода (О₂) образуются две молекулы воды (Н₂О), т.е. осуществляется химическая реакция синтеза воды, которая записывается в кратком виде:

2∙Н₂+О₂→2∙Н₂О

Наличие такой химической реакции в каком-то месте объема смеси указывает на исчезновение в этом месте двух молекул водорода и одной молекулы кислорода (вход реакции), а также на появление двух молекул воды (выход реакции) в течение короткого промежутка времени. При этом в химической реакции неизменным остается число атомов, из которых состоят молекулы, вступившие в реакцию и получившиеся в ее результате. Последнее отражено в приведенной формуле химической реакции. Однако в этой формуле отражены не все величины, характеризующие химическую реакцию. В результате химической реакции образуются не только молекулы воды, но и электромагнитное поле, которое излучается (например, в виде света) из места возникновения реакции. Электромагнитное поле обладает энергией и импульсом. Аналогично числу атомов полная энергия и импульс молекул, вступивших в реакцию должны равняться соответствующим величинам, полученным в результате реакции (полная энергия и импульс сохраняются). Это, в частности, приводит к тому, что полная кинетическая энергия молекул водорода и кислорода, вступивших в химическую реакцию синтеза, превращается в кинетическую энергию молекул воды (Н₂О) и энергию электромагнитного поля (фотонов). Если кинетическая энергия (скорость) молекул воды, получившаяся в результате реакции, велика, то, двигаясь от места образования, молекула будет терять свою кинетическую энергию в результате столкновений с молекулами смеси. В соответствии с законом сохранения энергии, потерянная в результате столкновений, часть кинетической энергии молекулы воды увеличит среднюю кинетическую энергию молекул (температуру) смеси. В свою очередь, повышение температуры в других местах объема смеси может привести к возможности осуществления еще одной химической реакции синтеза молекул воды, в результате которой образуется две новые молекулы воды, обладающие высокой кинетической энергией. Эти две молекулы, замедляясь (теряя кинетическую энергию) в объеме смеси и повышая ее температуру, могут вызвать две новые химические реакции синтеза молекул воды. Далее число актов химической реакции синтеза воды будет очень быстро (лавинообразно) увеличиваться. При этом каждый акт химической реакции порождает два новых и т.д. Описанная ситуация обозначается как возникновение и развитие во времени цепной химической реакции синтеза молекул воды в смеси. С точки зрения современной физики химические реакции представляют собой элементарные физические процессы кратковременного электромагнитного взаимодействия ("столкновения") молекул, при которых некоторые величины изменяются со временем (число молекул и их вид), а некоторые остаются постоянными (число атомов, энергия, импульс). Цепная химическая реакция рассматривается как сложный физический процесс, состоящий из элементарных Такой сложный процесс также характеризуется изменяющимися во временем величинами (число элементарных актов химической реакции, вероятностью осуществления элементарного акта химической реакции, числом возникающих молекул воды, числом исчезающих молекул водорода или кислорода, температурой смеси, энергией электромагнитного излучения и т.п.) и величинами, которые со временем не изменяются (число атомов смеси). Величины, характеризующие цепной процесс (например, число элементарных актов химической реакции синтеза воды в объеме смеси), могут изменяться со временем в различном темпе: "быстро", "медленно" или вообще не изменяться в течение длительного промежутка времени. В последнем случае говорят о стационарном цепном процессе. В технологии предпочтение отдают таким устройствам (реакторам), в которых основной процесс (цепная химическая реакция) при определенных внешних условиях является стационарным или квазистационарным (почти стационарным). Последнее обусловлено необходимостью управления (регулирования) процессом, протекающим в устройстве. Действия по управлению (регулированию) в большинстве случаев выполняет человек, а его реакция на нежелательные изменения характеристик процесса не является мгновенной. Поэтому с точки зрения целевого назначения твердый сосуд, содержащий "гремучую" смесь (смесь молекул водорода и кислорода) определенной концентрации можно было бы назвать реактором, если снабдить его средством для повышения температуры смеси (например, нагревателем). Действительно, пропуская электрический ток через нагреватель и повышая тем самым температуру смеси вблизи него, можно создать условия для возникновения цепной реакции синтеза молекул воды, которая будет сопровождаться увеличением числа молекул воды в сосуде и излучением электромагнитного поля. При этом в течение некоторого времени будут производиться молекулы воды, тепло (температура смеси повышается) и свет (электромагнитное поле). Если назначением такого устройства является производство молекул воды, то такое устройство можно рассматривать как химический реактор. Если устройство используется для получения тепла и света (энергии), то его можно рассматривать как энергетический реактор. Любой из указанных реакторов принципиально удовлетворяет своему целевому назначению (производство молекул воды или тепла и энергии). Однако использование таких устройств в промышленности нецелесообразно и даже опасно из-за быстроты протекания цепной реакции синтеза молекул. Возникнув в таких "реакторах", цепная реакция быстро охватывает весь объем смеси и также быстро заканчивается (когда все молекулы смеси превратятся в молекулы воды). Процесс будет носить характер "взрыва". При этом температура и давление смеси резко возрастают, что может привести к плавлению стенок сосуда и его разрыву. Средств для того, чтобы предотвратить такую аварийную ситуацию в конструкции устройства не предусмотрено. Но даже, если такие средства предусмотрены конструкцией устройства (например, сосуд выполнен из тугоплавкого прочного материала), требуется предпринять меры для того, чтобы процесс производства молекул воды или тепла и света происходил достаточно длительное время, примерно на постоянном уровне и допускал регулирование (когда-то нужно больше тепла и света, когда-то меньше). Поэтому не каждое устройство, в котором осуществляется цепная химическая реакция с точки зрения технологии подходит под определение химического реактора. Под такое определение в большей степени подходит костер в лесу или печь отапливаемая углем. В указанных устройствах осуществляется управляемая цепная химическая реакция синтеза углекислого газа (СО₂) из молекул (атомов) углерода, входящего в состав древесины и угля, и молекул кислорода воздуха. Эта реакция также сопровождается выделением тепла и света. Костер в лесу предназначен для обогревания людей и освещения пространства в ночное время, а печь - для обогревания помещения в холодное время года. Легко сообразить, что такие устройства позволяют достаточно длительное время получать относительно постоянное количество тепла или света, управляемы и относительно безопасны. Это обеспечивается конструкцией, позволяющей при помощи несложных управляющих воздействий организовать "непрерывное" поступление воздуха и древесины в костер (печь), а также удаление из него (нее) ненужного продукта (углекислого газа). Тем самым поддерживается "постоянная" интенсивность цепной химической реакции синтеза углекислого газа с выделением тепла и света. Необходимо заметить, что каждое из таких устройств созданное человеком с определяемой целью (обеспечение себя необходимым дополнительным теплом и светом) приносит ему и другим составляющим окружающей среды не только пользу. В частности, при работе таких устройств расходуется кислород атмосферы (необходимой для жизнедеятельности человека) древесина или уголь, а производится углекислый газ, который вреден для человека и других составляющих окружающей среды.

Аналогичными свойствами обладают и другие химические реакторы (рабочий цилиндр двигателя внутреннего сгорания автомобиля, горелка газовой печи, тепловые и электрические станции, работающие на угле и мазуте).

В отличие от химических в ядерных реакторах при определенных внешних условиях осуществляется физический процесс превращения одних ядер, входящих в состав атомов вещества, в другие. Аналогично химическим реакциям такие превращения называются ядерными реакциями. Ядерные реакции подробно рассмотрены в теме 1 настоящего курса. Отметим только, что в отличие от химических реакций, не затрагивающих атомную структуру (число атомов в химической реакции сохраняется), в ядерных реакциях затрагивается не только атомная структура, но и ядерная. Другими словами, в ядерных реакциях число атомов не сохраняется (они разрушаются). Не сохраняется также и число ядер, вступивших в ядерную реакцию. Известно [1], что ядра состоят из протонов и нейтронов. Ядра можно было бы рассматривать как молекулы, где роль атомов выполняли бы протоны и нейтроны. Тогда в ядерных реакциях сохранялось бы общее число протонов и нейтронов, из которых состоят ядра, вступившие в реакцию. Однако это не так! В отличие от молекул и атомов устойчивость которых обусловлена только электромагнитным взаимодействием их составляющих (электронов и ядер), устойчивость ядер обусловлена не только электромагнитным, но также (и в большей степени) сильным и слабым взаимодействием протонов и нейтронов ядра. Поэтому в химических реакциях кроме молекул и атомов образуются еще и фотоны (кванты электромагнитного поля). В ядерных же реакциях образуются новые ядра, протоны, нейтроны, а также кванты электромагнитного (-кванты), сильного (мезоны), слабого (нейтрино) взаимодействий и другие элементарные частицы (электроны, позитроны и т.д.). Что же тогда сохраняется в ядерных реакциях? Сохраняются гравитационные, электрические и другие "заряды", а также энергия, импульс и момент импульса частиц, участвующих в ядерной реакции. В этом отношении ядерные реакции похожи на химические. Многие названия реакций в ядерной физике (как и сам термин реакция) заимствованы из химии.

Таковым, в частности, является термин ядерная реакция синтеза. В природе существует естественный (не созданный "руками" человека) ядерный реактор, в котором осуществляется ядерная реакция синтеза. Таким реактором является Солнце. Солнце представляет собой ионизированный газ (плазму) из легких атомов (водород, дейтерий), ядра которых участвуют в ядерной реакции синтеза. В результате такой реакции из ядер легких атомов (водород, дейтерий) образуется ядро атома гелия (Не). Температура газа (плазмы), при которой осуществляется ядерная реакция синтеза (термоядерная реакция), очень высока из-за процессов аналогичным при взрыве "гремучей смеси", но значительно выше последней. Сосуд, в котором протекает реакция, образуется гравитационным полем плазмы (Солнца). Кроме образования ядер гелия реакция синтеза сопровождается излучением за пределы "сосуда" не только электромагнитного поля, но и большего числа других элементарных частиц (протоны, нейтроны, электроны, мезоны, нейтрино и др.), которые в совокупности составляют "космическое излучение". Часть "космического излучения" движется в направлении Земли, отклоняется его магнитным полем и задерживается атмосферой. Незначительная часть энергии, излученного Солнцем электромагнитного поля, в виде тепла и света достигает поверхности Земли и составляет основу жизни на Земле. Реактор (Солнце) работает длительное время (более 10⁶ лет) на "постоянном уровне мощности", управляется законами природы, физические процессы в таком реакторе (физика Солнца) изучаются. Предпринимаются попытки искусственного ("руками" и "мозгами" человека) создания энергетического реактора, в котором для производства энергии также используется ядерная реакция синтеза легких ядер (термоядерный реактор). Пока эти попытки увенчались успехом только в военной области ("водородная бомба"), но не в гражданской. В настоящем пособии физика таких ядерных реакторов не рассматривается.

В большинстве созданных на Земле в настоящее время промышленных, опытных и исследовательских ядерных реакторах осуществляется не ядерная реакция синтеза, а ядерная реакция деления нейтронами ядер некоторых тяжелых атомов (уран, плутоний) [1]. В этой ядерной реакции в результате кратковременного взаимодействия (столкновения нейтрона элементарной частицы, входящей в состав ядер всех атомов кроме водорода) с ядром тяжелого атома может образоваться:

- несколько (примерно 2) ядер более легких атомов (осколки деления);

- несколько (примерно 2З) нейтронов;

- другие элементарные частицы (электроны, -кванты, нейтрино).

Осколки деления являются радиоактивными ^- и -излучателями [1] и имеют очень большие скорости (~10⁴ км/с), а, следовательно, и кинетические энергии. Эти осколки тормозятся в среде реактора, содержащей ядра тяжелых и других атомов, передавая ей часть кинетической энергии.

Нейтроны произведенные в ядерной реакции деления также обладают высокой скоростью (кинетической энергией), эта скорость также уменьшается в результате торможения и передачи атомам среды части кинетической энергии.

Аналогичный процесс торможения испытывают и другие элементарные частицы (-кванты, электроны), которые передают среде свою кинетическую энергию.

Таким образом продукты ядерной реакции деления (осколки, нейтроны, другие) в результате торможения передают среде реактора часть своей кинетической энергии, увеличивая при этом ее температуру. Переданная среде энергия в одном акте ядерной реакции деления составляет 3,16-10^-11 Дж и выделяется в среде в виде теплоты (температура среды повышается).

Произведенные в одном акте ядерной реакции деления нейтроны (примерно 2З), двигаясь в среде реактора, могут испытать столкновение в еще одним ядром тяжелого атома, которое в результате приведет в делению ядра на осколки (~2), нейтроны (~2З) и другие элементарные частицы, т.е. осуществится еще одна ядерная реакция деления. Далее ситуация может повториться (новые нейтроны осуществят еще одну реакцию деления и т.п.). Такая ситуация обозначается как возникновение и развитие цепной ядерной реакции деления аналогично возникновению и развитию указанной выше цепной химической реакции синтеза молекул воды из молекул водорода и кислорода "гремучей смеси". Однако причины развития этих двух цепных реакций различны. Причиной развития цепной химической реакции синтеза молекул воды является повышение температуры "гремучей смеси" за счет торможения молекул воды, образовавшихся в одном акте реакции. Цепная ядерная реакция деления также сопровождается повышением температуры среды ядерного реактора за счет торможения продуктов деления (осколки, нейтроны, другие}, образовавшихся в одном акте реакции. Однако причиной продолжения и развития цепной ядерной реакции деления является не повышение температуры среды (это может оказать даже отрицательное влияние (!) на развитие цепной реакции), а образование избытка нейтронов (~2З) в одном акте деления, часть из которых (по крайней мере один) могут вызвать очередной акт деления ядра тяжелого атома. Поскольку перемещение (перенос) нейтронов от одного ядра к другому происходит быстрее, чем перенос тепла (температуры), то развитие цепной ядерной реакции деления происходит значительно быстрее, чем аналогичной химической реакции синтеза молекул воды. При возникновении и развитии цепной ядерной реакции деления число актов реакции, нейтронов, осколков деления и других продуктов будет возрастать лавинообразно. Возрастать будет также температура среды реактора. Процесс будет носить характер взрыва аналогично взрыву "гремучей смеси". Если среда реактора из тяжелых атомов заключена в твердую оболочку, то повышение температуры и давления среды приведет к ее разрыву и выходу практически всех продуктов ядерной реакции деления (осколков, нейтронов и других) в окружающую среду. Если учесть, что продукты ядерной реакции деления радиоактивны [1], то последствия такой аварии будут значительно тяжелее нежели разрыв сосуда с "гремучей смесью".

По причинам указанным выше устройство, содержащее среду из ядер тяжелых атомов (уран, плутоний), в котором возникает и стремительно развивается цепная ядерная реакция деления, (в соответствии с приведенным технологическим определением) реактором не является, если не предпринять специальные меры для ограничения скорости развития такой цепной реакции (т.е. сделать цепной процесс управляемым и регулируемым). К счастью такие меры могут быть предприняты. Их действие, в частности, основано на том, что часть нейтронов, образующихся в результате ядерной реакции деления выделяются не "мгновенно", а с некоторым запаздыванием (запаздывающие нейтроны), что позволяет сделать возникшую в среде из тяжелых атомов цепную ядерную реакцию управляемой. Кроме того, в среде из тяжелых атомов (уран, плутоний) в результате кратковременного взаимодействия (столкновения) нейтрона с ядром могут образоваться не только осколки деления, дополнительные нейтроны и другие продукты деления, но и другие комбинации частиц. Возможны такие ядерные реакции, в результате которых образуется только исходное ядро тяжелого элемента и -квант (ядерная реакция радиационного захвата нейтронов) или только исходное ядро и нейтрон (ядерная реакция рассеяния нейтронов). В результате последних ядерных реакций нейтроны либо вообще не образуются (радиационный захват нейтрона), либо образуется только один нейтрон (рассеяние нейтрона). Возможность осуществления (кроме деления) таких ядерных реакций в среде из тяжелых атомов уменьшает скорость развития возникшего цепного ядерного процесса деления вплоть до его полного исчезновения, т.е. цепной ядерный процесс деления при определенных условиях становится невозможным. Существуют и другие (не ядерные) процессы, уменьшающие скорость развития возникшего цепного ядерного процесса деления. К числу таких относится: утечка нейтронов через внешнюю поверхность среды из тяжелых атомов, изменение изотопного [1] состава среды (например, добавка в среду атомов, ядра которых "не делятся" нейтронами), изменение температуры среды, а также ряд других. Знание и использование указанных процессов позволяют осуществить управление (регулирование) возникшего цепного ядерного процесса деления и, тем самым, превратить устройство, содержащее атомы некоторых тяжелых элементов (уран, плутоний), в ядерный реактор определенного целевого назначения в соответствии с приведенным технологическим определением. В объеме ядерных реакторов при определенных внешних условиях достаточно длительное время осуществляется процесс превращения нейтронов и ядер тяжелых атомов (уран, плутоний) в ядра других атомов, нейтроны и другие элементарные частицы (электроны, протоны, γ-кванты и т.п.). Этот процесс сопровождается выделением в среде реактора большого количества тепла (высокая температура среды реактора).

Если образующееся в ядерном реакторе тепло отводится от реактора и непосредственно используется (в промышленности и в быту) или преобразуется в другие удобные для человека виды энергии (например, электроэнергию), то такие ядерные реакторы называются энергетическими. Энергетическими являются, например, ядерные реакторы, работающие в составе Атомных Станций Теплоснабжения (ACT) или в составе Атомных Электрических Станций (АЭС). Каждая из таких станций содержит большое число элементов технологического оборудования (реактор, теплообменник, парогенератор, турбину, электрогенератор, насосы и т.п.), но основной единицей оборудования является ядерный энергетический реактор, в котором вырабатывается тепло. В ACT, выработанное в реакторе тепло высоких параметров (температура среды реактора высока), преобразуется в тепло более низких, чем в реакторе, параметров (температура понижается) приемлемых для использования в промышленности и быту. В АЭС тепло, выработанное в реакторе, преобразуется в электроэнергию.

Если продукцией ядерного реактора являются ядра атомов, образующихся в результате ядерных реакций, то также реакторы называются изотопными. Тепло, вырабатываемое в таких реакторах, является бесполезным (оно отводится от реактора с помощью теплообменников и "сбрасывается" в атмосферу). В некоторых случаях полезной продукцией реактора является излучение элементарных частиц (нейтроны, γ-кванты и др.) образующихся в его среде в результате ядерных реакций, Если эти излучения используются для проведения научных исследований свойств элементарных частиц, материалов и т.п., то такие реакторы называются исследовательскими. В таких реакторах тепло также является бесполезным. Некоторые реакторы создаются для отработки принципиальных технических, конструктивных и других решений будущих энергетических реакторов. Такие реакторы называются опытными. Существуют реакторы и другого целевого назначения (для лечения раковых заболеваний, для создания оружия, для создания двигателей подводных лодок, ракет и т.п.). Указанные реакторы в зависимости от целевого назначения отличаются друг от друга составом материалов, конструкцией, режимами работы и т.п. Однако при всем многообразии существующих и создаваемых ядерных реакторов основу их работоспособности в составе установок различного целевого назначения составляет управляемая цепная ядерная реакция деления, сопровождающаяся выделением тепла, которое необходимо от них отводить, если не иметь в виду использование реакторов в военных целях (т.е. превращение реакторов в "атомную бомбу").

Таким образом безотносительно к целевому назначению ядерный реактор представляет собой макроскопическое («видимое») устройство выполненное из различных материалов, но вещественный состав которых необходимо содержит ядра тяжелых атомов (уран, плутоний) способных к делению при столкновении с нейтронами любых энергий. Известно [1], что такими свойствами обладают не все изотопы урана и плутония, а только изотопы, имеющие нечетное массовой число А (например, U-235 и Рu-239). По современной терминологии такие вещества называются делящимися. Это связано с тем, что изотопы урана и плутония с четным массовым числом (например, U-238 и Рu-240) делятся только нейтронами с энергией выше некоторого значения (пороговые ядерные реакции). Следует также различать понятие делящихся веществ и ядерного топлива. Под ядерным топливом понимается материал, состав которого содержит как делящиеся, так и не делящиеся ядра (например, оксид урана, содержащий U-235, U-238 и кислород). В качестве ядерного топлива может также рассматриваться смешанное оксидное топливо с различными добавками. Такое определение ядерного топлива связано с современной технологией его производства для ядерных реакторов.

Дело в том, что из применяемых на практике делящихся веществ (U-235, U-233 и Рu-239) только U-235 существует в природе (он является составной частью природного урана). Природный уран имеет три изотопа (табл. 1), которые медленно распадаются с испусканием α-частиц. Природный уран подходит под указанное определение ядерного топлива, но является топливом не очень высокого качества с точки зрения создания на его основе условий для организации цепного процесса деления из-за малого содержания в нем делящихся веществ.

Таблица 1

Изотопный состав природного урана.

Изотоп	U-238	U-235	U-233
Распространенность, %	99,28	0,71	0,0058
Период полураспада, лет	4,8·109	7,1·108	2,6·1 05

Чистый изотоп U-235 конечно может быть получен отделением его от других изотопов природного урана. В настоящее время наиболее практичным способом разделения изотопов является газовая диффузия.

Это весьма трудоемкий процесс, дающий дорогостоящее, но высококачественное ядерное топливо, которое отличается от природного урана повышенным содержанием (обогащением) делящегося изотопа U-235. Чем выше содержание (обогащение) делящегося изотопа U-235 в произведенном таким способом топливе, тем выше его стоимость. Однако использование обогащенного ядерного топлива на основе природного урана облегчает создание условий для организации цепного процесса деления.

В современных энергетических реакторах используется слабообогащенное топливо (с содержанием U-235 до 2%) произведенное из природного урана указанным способом. В исследовательских и опытных реакторах используется ядерное топливо высокого обогащения (с содержанием U-235 до 90%).

Кроме ядерного топлива произведенного путем обогащения природного урана современное производство располагает средствами для изготовления ядерного топлива, содержащего делящиеся изотопы Рu-239 и U-233. Но эти изотопы производятся в процессе работы реакторов с топливом созданным из природного урана. Для этого в составе материалов реактора должны находиться сырьевые неделящиеся изотопы природного урана U-238 или материалы содержащие торий (Th-232), который также существует в природе.

Как Рu²³⁹, так и U²³³ образуются в результате захвата нейтронов неделящимися материалами. В первом случае таким материалом является U²³⁸, и процесс происходит так:

U²³⁸+n→U²³⁹+γ,

U²³⁹→Np²³⁹+β, (1.1)

23 мин

Np²³⁹→Pu²³⁹+β.

2,3 сут

Последние две стадии являются спонтанными, т.е. они происходят без индуцирующего агента, каким является нейтрон в первой реакции. Благодаря процессу (1.1) Рu²³⁹ всегда образуется в ядерных реакторах, которые содержат U²³⁸. В частности, в реакторе на природном уране он производится в количестве, приблизительно равном выгоранию изотопа U²³³⁵.

Аналогичный процесс, при котором нейтрон захватывается ядром тория, приводит к образованию U²³³.

Th²³²+n→TH²³³+γ,

Th²³³→Pa²³³+ β,

23 мин (1.2)

Pa²³³→U²³³+β.

27,4 сут

Кроме ядерного топлива необходимого для организации цепного процесса деления конструкция ядерного реактора, в котором выделяется значительная энергия в виде тепла, должна содержать материалы, позволяющие непрерывно отводить тепло, выделяемое в ядерном топливе. Для этого используются различные теплоносители (обычно в жидком или газообразном состоянии, поскольку технически легче организовать их непрерывное движение).

В современных промышленных энергетических реакторах в качестве теплоносителя используется обычная вода в кипящем или не кипящем состоянии. Используются также жидкие металлы (натрий) и газы (углекислый газ, гелий).

Обычно ядерное топливо и теплоносители заключаются в твердые оболочки из конструкционных материалов (например, сталь) для предотвращения выхода радиоактивных продуктов деления в теплоноситель и за пределы реактора, а также организации непрерывного движения теплоносителя.

Существуют и другие элементы конструкции реактора (замедлители, отражатели, поглотители), о роли которых будет сказано особо. Эти элементы также выполнены из различных материалов (например, графит, бериллий, бористая сталь) в различных состояниях (твердом, жидком, газообразном).

На данном этапе изложения гораздо важнее понять, что элементы конструкции ядерного реактора занимают некоторый объем пространства, который можно представлять себе заполненным сплошной средой различного вещественного состава. При этом такая среда обязательно должна содержать делящееся вещество. Среда может содержать различное количество делящегося вещества, быть однородной (гомогенной) или неоднородной (гетерогенной) по составу, но распределение материального состава среды по объему осуществляется таким образом, чтобы создались условия для возникновения управляемой цепной реакции деления. Определение этих условий — одна из важнейших задач теории ядерных реакторов, которое используется при их конструировании.

Решение этой задачи является достаточно сложным и неизбежно базируется на количественных характеристиках элементарных процессов взаимодействия нейтронов с ядрами (ядерных реакций) не только делящихся тяжелых элементов (уран, плутоний), но и других. Частично сведения о ядерных реакциях приведены в Теме 1 настоящего курса [1]. Однако этих сведений недостаточно для решения задачи количественного определения условий, при которых возникает и развивается цепная ядерная реакция деления. Поэтому в этом разделе пособия сведения о ядерных реакциях уточняются. Попутно вводятся определения количественных величин, с помощью которых решается задача об определении условий возникновения и развития цепной реакции деления в теории ядерных реакторов.

Однако этому предпошлем качественное рассуждение о роли некоторых ядерных реакций и элементов конструкции реактора в возникновении и поддержании цепного процесса.