36.12. Ядерний реактор

Ядерний реактор — це пристрій, у якому підтримується ядерна реакція поділу на рівні k=1. Як ядерне паливо використовують ізотопи урану , плутонію , торію .

Ядерне паливо, використовуване в реакторах на повільних нейтронах, збагачено ізотопом U²³⁵ до 2–4 % замість 0,7 % у природній суміші U²³⁵ і U²³⁸ і розміщено в тепловиділяючих елементах (ТВЕЛах) ядерного реактора.

ТВЕЛи відокремлені один від одного сповільнювачами нейтронів, у якості яких використають графіт, берилій, органічні рідини, воду (звичайну H₂O і важку D₂O) і т.д.

В активну зону реактора вводять також керуючі стрижні, речовина яких сильно поглинає нейтрони (звичайно це сплави кадмію). Коефіцієнт розмноження нейтронів регулюється положенням цих стрижнів в активній зоні й автоматично підтримується рівним одиниці. Для екстреної зупинки ядерної реакції у випадку аварії керуючі стрижні швидко вводяться в активну зону спеціальним пристроєм.

Для відводу теплоти з активної зони реактора використовують теплоносій, що циркулює за замкнутою схемою, – це повітря, водяна пара, гелій, вуглекислий газ тощо. Нагрітий теплоносій обертає турбіну генератора і потім повертається в активну зону.

Ядерні реактори на повільних нейтронах характеризуються низьким коефіцієнтом використання ядерного пального. Незрівнянно більш високий коефіцієнт використання урану може бути досягнутий у реакторах-размножувачах на швидких нейтронах (бридерні реактори). У цих реакторах як початкове паливо використовується суміш U²³⁵ і U²³⁸, у якій частка U²³⁵ досягає 30 %. Ізотоп U²³⁸ ділиться, поглинувши тільки швидкий нейтрон з енергією 10 МеВ, а нейтрони меншої енергії ефективно поглинає, даючи початок ланцюжку реакцій:

,

(36.26)

Ізотоп плутонію має період напіврозпаду 2,410⁴ років і в природних умовах не існує. Ланцюжок ядерних перетворень (36.26) приводить до нагромадження плутонію в бридерних реакторах за рахунок переробки U²³⁸. Кількість виробленого плутонію більша, ніж кількість витраченого U²³⁵, тобто бридер розмножує ядерне пальне. Хімічною переробкою відпрацьованого палива плутоній добувають і використовують далі в реакторах на повільних нейтронах.

36.13. Термоядерні реакції

В області малих значень масових чисел питома енергія зв'язку зростає в міру збільшення масового числа (див. рис. 36.1) і, отже, у цій області енергетично вигідними є реакції синтезу ядер легких елементів з утворенням більш важких. Для здійснення цих реакцій ядра необхідно зблизити на таку відстань, щоб сили ядерного притягання стали переважати сили кулонівського відштовхування. Цього можна досягти розігрівом речовини до дуже високих температур (порядку 10⁹K). Однак реакція синтезу ядер легких елементів може протікати й при більш низьких температурах (порядку 10⁷K), чому сприяють два фактори:

• при T10⁷K речовина перебуває в стані плазми, частинки якої розподілені за швидкостями відповідно до закону Максвелла (§8.3). У такій плазмі за рахунок «хвоста» у розподілі Максвелла існують ядра, енергії яких достатньо для подолання кулонівського бар'єра відштовхування;

• просочування через потенціальний бар'єр (тунельний ефект).

Реакції синтезу є екзотермічними, причому питоме (на одиницю маси) виділення енергії в них істотно вище, ніж у реакціях поділу.

Реакції синтезу – основа зоряної енергетики. На відносно «негарячих» зірках, прикладом яких може служити наше Сонце, реакція синтезу йде за такими етапами:

Напівперіод всіх цих перетворень, тобто час за який половина вихідної кількості водню перетворюється в гелій, дорівнює 10¹⁰ років.

На інших більш яскравих і гарячих зірках той же процес синтезу гелію з водню йде через ряд інших проміжних етапів і швидше.

У земних умовах реакція синтезу ядер дейтерію та тритію

 МеВ.

здійснена в термоядерній (водневій) бомбі.

Ця реакція некерована. Для здійснення керованих термоядерних реакцій необхідно подолати ряд труднощів.

Основна проблема на шляху створення промислових термоядерних реакторів – це проблема втримання горючої плазми в деякому об'ємі без зіткнення зі стінками камери. Відомі два способи втримання плазми: інерційний і магнітний. Інерційний складається в дуже швидкому нагріванні щільного газу, при цьому в плазмі, що утворилася, реакція синтезу встигає пройти раніше, ніж вона встигає розлетітися. Такий спосіб здійснений у водневій бомбі. Однак, як ми вже відзначали, тут термоядерна реакція некерована. Для одержання керованих ядерних реакцій використовують розігрів речовини пучком високоенергетичних частинок або лазерних імпульсів великої потужності.

Магнітний спосіб утримання плазми заснований на створенні магнітних полів особливої конфігурації, що перешкоджає вильоту заряджених частинок за межі зони реакції. Особливо перспективні магнітні поля у вигляді тороїда, які створені в термоядерних установках типу ТОКАМАК. У таких установках траєкторія частинки – це спіраль, навита на магнітну силову лінію.

На жаль, плазма нестійка – через деякий час плазмовий шнур розривається або розлітається. Тому в цей час основна проблема – збільшення часу утримання плазми. Щоб виробництво енергії в термоядерних установках перевищило її витрати, повинен виконуватися критерій Лоусона

n  10¹⁴ см^-3с,

де n — число ядер в 1 см³;  – час утримання плазми.

У цей час ближче всього до критерію Лоусона підходить установка типу ТОКАМАК. Передбачається, що вже найближчим часом удасться побудувати термоядерний реактор з додатним енергетичним виходом.