Ядерный реактор — это устройство, предназначенное для осуществления управляемой ядерной реакции.
Управление ядерной реакцией заключается в регулировании скорости размножения свободных нейтронов в уране, чтобы их число оставалось неизменным. При этом цепная реакция будет продолжаться столько времени, сколько это необходимо, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.
Рассмотрим устройство и принцип действия реактора, в котором в качестве делящегося вещества (его называют также ядерным топливом или горючим) используется в основном уран-235. В природном уране этого изотопа недостаточно для протекания цепной реакции (всего 0,7%), поэтому природный уран обогащают, т. е. увеличивают процентное содержание в нем урана-235 (до 5%).
Реактор, работающий на этом изотопе урана, называется реактором на медленных нейтронах. Он назван так, потому что уран-235 наиболее эффективно делится под действием медленных нейтронов. Поскольку при делении ядер образуются в основном быстрые нейтроны, их необходимо замедлять. Для этого в реакторе с таким ядерным топливом используется замедлитель нейтронов.
На рисунке 175, а изображены основные части реактора на медленных нейтронах. В активной зоне находится ядерное топливо в виде урановых стержней (они на рисунке не показаны) и замедлитель нейтронов — в данном случае вода.
Масса каждого уранового стержня значительно меньше критической, поэтому в одном стержне цепная реакция происходить не может (это делается специально из соображений безопасности). Она начинается после погружения в активную зону всех урановых стержней, т. е. когда масса урана достигнет критического значения.
Рис. 175
Активная зона окружена слоем вещества, отражающего нейтроны (отражатель), и защитной оболочкой из бетона, задерживающей нейтроны и другие частицы.
Для управления реакцией служат регулирующие стержни, эффективно поглощающие нейтроны. При их полном погружении в активную зону цепная реакция идти не может. Для запуска реактора регулирующие стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор, пока не начнется цепная реакция деления ядер урана.
Образующиеся в процессе этой реакции нейтроны и осколки ядер, разлетаясь с большой скоростью, попадают в воду, сталкиваются с ядрами атомов кислорода и водорода, отдают им часть своей кинетической энергии и замедляются. Вода при этом нагревается, а замедленные нейтроны через какое-то время опять попадают в урановые стержни и участвуют в делении ядер.
Активная зона реактора посредством труб соединяется с теплообменником, образуя так называемый первый замкнутый контур. Насосы обеспечивают циркуляцию воды в этом контуре. При этом вода, нагретая в активной зоне за счет внутренней энергии атомных ядер, проходя через теплообменник, нагревает воду в змеевике второго контура, превращая ее в пар. Таким образом, вода в активной зоне реактора служит не только замедлителем нейтронов, но и теплоносителем, отводящим тепло.
На рисунке 175, б схематично показаны устройства, в которых энергия пара, образовавшегося в змеевике, преобразуется в электроэнергию. Посредством этого пара вращается турбина, которая, в свою очередь, приводит во вращение ротор генератора электрического тока. Отработанный пар поступает в конденсатор и превращается в воду. Затем весь цикл повторяется.
Таким образом, при получении электрического тока на атомных электростанциях происходят следующие преобразования энергии: часть внутренней энергии атомных ядер урана —» кинетическая энергия нейтронов и осколков ядер —> внутренняя энергия воды —» внутренняя энергия пара -> кинетическая энергия пара —> кинетическая энергия ротора турбины и ротора генератора -» электрическая энергия.
1. Что такое ядерный реактор?
2. В чем заключается управление ядерной реакцией?
3. Назовите основные части реактора.
4. Что находится в активной зоне?
5. Для чего нужно, чтобы масса каждого уранового стержня была меньше критической массы?
6. Для чего нужны регулирующие стержни? Как ими пользуются?
7. Какую вторую функцию (помимо замедления нейтронов) выполняет вода в первом контуре реактора?
8. Какие процессы происходят во втором контуре?
9. Какие преобразования энергии происходят при получении электрического тока на атомных электростанциях?
