Керована ланцюгова реакція

Схема пристрою ядерної бомби

Змінюючи коефіцієнт розмноження нейтронів можна здійснити керовану ланцюгову реакцію. Пристрій, в якому здійснюється керована реакція, називається ядерним реактором. Як ділиться речовини служить природний або збагачений уран. Щоб запобігти радіаційний захоплення нейтронів ядрами урану, порівняно невеликі блоки речовини, що ділиться розміщують на деякій відстані один від одного, а проміжки заповнюють речовиною, що сповільнює нейтрони (сповільнювачем). Уповільнення нейтронів здійснюється за рахунок пружного розсіювання. У цьому випадку енергія, що втрачається сповільнюється часткою, залежить від співвідношення мас частинок, що стикаються. Максимальна кількість енергії втрачається в разі, якщо частки мають однакову масу. Цій умові задовольняють дейтерій, графіт та берилій. Перший уран-графітовий реактор був запущений в 1942 році в Чикаго університеті під керівництвом видатного італійського фізика Фермі. Для пояснення принципу роботи реактора розглянемо типову схему реактора на теплових нейтронах рис.1.

В активній зоні реактора розташовані тепловиділяючі елементи 1 і сповільнювач 2, який уповільнює нейтрони до теплових швидкостей. Тепловиділяючі елементи (твели) представляють собою блоки з подільного матеріалу, укладені в герметичну оболонку, слабо поглинає нейтрони. За рахунок енергії, що виділяються при розподілі ядер, твели розігріваються, а тому, для охолодження вони поміщаються в потік теплоносія (3-5 - канал теплоносія). Активна зона оточується відбивачем, що зменшує витік нейтронів. Управління ланцюговою реакцією здійснюється спеціальними керуючими стрижнями з матеріалів, сильно поглинаючих нейтрони. Параметри реактора розраховуються так, що при повністю вставлених стрижнях реакція свідомо не йде. При поступовому вийманні стрижнів коефіцієнт розмноження нейтронів зростає і при деякому їх положенні доходить до одиниці. У цей момент реактор починає працювати. У міру роботи реактора кількість ділиться матеріалу в активній зоні зменшується і відбувається її забруднення осколками поділу, серед яких можуть бути сильні поглиначі нейтронів. Щоб реакція не припинилася, з активної зони за допомогою автоматичного пристрою поступово витягуються керуючі стрижні. Подібне управління реакцій можливо завдяки існуванню запізнілих нейтронів, що випускаються діляться ядрами з запізненням до 1 хв. Коли ядерне паливо вигоряє, реакція припиняється. До нового запуску реактора вигоріле ядерне паливо витягають і завантажують нове. У реакторі є також аварійні стрижні, введення яких негайно обриває реакцію. Ядерний реактор є потужним джерелом проникаючої радіації, приблизно в раз перевищує санітарні норми. Тому будь-який реактор має біологічний захист - систему екранів із захисних матеріалів (наприклад, бетон, свинець, вода) - розташовується за його відбивачем, і пульт дистанційного керування.

Вперше ядерна енергія для мирних цілей була використана в СРСР. У Обнінську в 1954 під керівництвом Курчатова введена в експлуатацію перша атомна електростанція потужністю 5 МВт.

Однак, уранові реактори на теплових нейтронах можуть вирішити задачу електропостачання в обмеженому масштабі, який визначається кількістю урану.

Найбільш перспективним шляхом розвитку атомної енергетики є розробка реакторів на швидких нейтронах, так званих реакторів розмножувачів. Такий реактор виробляє більше ядерного палива, ніж споживає. Реакція йде на швидких нейтронах, тому в ній можуть брати участь не тільки а й, який перетворюється в. Останній хімічним шляхом може бути відділений від. Цей процес називається відтворенням ядерного пального. У спеціальних брідерної реакторах коефіцієнт відтворення ядерного палива перевищує одиницю. Активною зоною бридерів є сплав урану, збагаченого ізотопами, з важким металом, мало поглинає нейтрони. У брідерної реакторах відсутня сповільнювач. Управління такими реакторами переміщенням відбивача або зміною маси речовини, що ділиться.