2.3 Ядерні реакції у житті людини

2.3.1 Ядерний реактор

Ядерний реактор - це пристрій, в якому здійснюється керована ланцюгова ядерна реакція, що супроводжується виділенням енергії. Перший ядерний реактор побудований і запущений в грудні 1942 року в США під керівництвом Е. Фермі. Першим реактором, збудованим за межами США, став ZEEP, запущенний в Канады в вересні 1945 року. В Европі першим ядерним реактором стала установка Ф-1, запрацювавша 25 грудня 1946 року в Москві під керівництвом І. В. Курчатова.

1 - Керуючий стрижень; 2 - Радіаційний захист; 3 - Теплоізоляція; 4 - Сповільнювач; 5 - Ядерне паливо; 6 - Теплоносій.

Рис.17. Схематичний пристрій гетерогенного реактора на теплових нейтронах.

Ядерний реактор може працювати із заданою потужністю протягом тривалого часу лише в тому випадку, якщо на початку роботи має запас реактивності. Виняток становлять підкритичні реактори із зовнішнім джерелом теплових нейтронів. Звільнення пов'язаної реактивності по мірі її зниження у силу природних причин забезпечує підтримку критичного стану реактора в кожен момент його роботи. Початковий запас реактивності створюється шляхом побудови активної зони з розмірами, значно переважали критичні. Щоб реактор не ставав надкритичним, одночасно штучно знижується k₀ розмножуючого середовища. Це досягається введенням в активну зону речовин-поглиначів нейтронів, які можуть видалятися з активної зони в подальшому. Так само як і в елементах регулювання ланцюгової реакції, речовини-поглиначі входять до складу матеріалу стрижнів того чи іншого поперечного перерізу, що переміщаються по відповідним каналам в активній зоні. Але якщо для регулювання досить одного-двох або декількох стрижнів, то для компенсації початкового надлишку реактивності число стрижнів може досягати сотні. Ці стрижні називаються компенсуючими. Регулюючі та компенсуючі стрижні не обов'язково являють собою різні елементи по конструктивному оформленню. Деяке число компенсуючих стрижнів може бути стрижнями регулювання, проте функції тих і інших відрізняються. Регулюючі стрижні призначені для підтримки критичного стану у будь-який момент часу, для зупинки, пуску реактора, переходу з одного рівня потужності на інший. Всі ці операції вимагають малих змін реактивності. Компенсуючі стрижні поступово виводять з активної зони реактора, забезпечуючи критичний стан протягом

всього часу його роботи.

Іноді стрижні управління робляться не з матеріалів-поглиначів, а ділиться речовини або матеріалу-розсіювача. У теплових реакторах - це переважно поглиначі нейтронів, ефективних ж поглиначів швидких нейтронів немає. Такі поглиначі, як кадмій, гафній та інші, сильно поглинають лише теплові нейтрони завдяки близькості першого резонансу до теплової області, а за межами останньої нічим не відрізняються від інших речовин за своїм поглинаючим властивостями. Виняток становить бор, переріз поглинання нейтронів якого знижується з енергією значно повільніше, ніж у зазначених речовин, за законом l / v. Тому бор поглинає швидкі нейтрони хоча і слабо, але трохи краще за інших речовин. Матеріалом-поглиначем в реакторі на швидких нейтронах може служити тільки бор, по можливості збагачений ізотопом 10В. Крім бору в реакторах на швидких нейтронах для стрижнів управління застосовуються і діляться матеріали. Компенсуючий стрижень з подільного матеріалу виконує ту ж функцію, що і стрижень-поглинач нейтронів: збільшує реактивність реактора при природному її зниження. Однак, на відміну від поглинача, такий стрижень на початку роботи реактора знаходиться за межами активної зони, а потім вводиться в активну зону. З матеріалів-розсіювачів у швидких реакторах вживається нікель, має переріз розсіяння швидких нейтронів дещо більше перетинів інших речовин. Стрижні-розсіювачі розташовуються по периферії активної зони та їх занурення у відповідний канал викликає зниження витоків нейтронів з активної зони і, отже, зростання реактивності. У деяких спеціальних випадках цілям управління ланцюговою реакцією служать рухомі частини відбивачів нейтронів, при переміщенні змінюють витоку нейтронів з активної зони. Регулюючі, компенсуючі та аварійні стрижні спільно з усім обладнанням, що забезпечують їх нормальне функціонування, утворюють систему управління і захисту реактора.

На випадок непередбаченого катастрофічного розвитку ланцюгової реакції, а також виникнення інших аварійних режимів, пов'язаних з енерговиділенням в активній зоні, в кожному реакторі передбачено екстрене припинення ланцюгової реакції, здійснюване скиданням в активну зону спеціальних аварійних стрижнів або стрижнів безпеки. Аварійні стрижні виготовляються з поглинаючого нейтрони матеріалу. Вони скидаються під дією сили тяжіння в центральну частину активної зони, де найбільший потік, а значить, і найбільш велика негативна реактивність, що вноситься в реактор стрижнем. Стрижнів безпеки, як і регулюють, зазвичай два або декілька, проте на відміну від регуляторів вони повинні зв'язувати можливо більшу величину реактивності. Роль стрижнів безпеки може виконувати і частина компенсуючих стрижнів.