Резонансное поглощение нейтронов в реакторе

Реактор, в котором природный уран перемешан с водой, является гомогенным, т.е. однородным по составу.

Если повторить расчет теплового раствора с учетом бесполезного поглощения нейтронов в U₈, то К_∞ получится в нем все же существенно >1.

Однако эксперимент показывает, что такой реактор не будет работать, ибо значительная часть нейтронов исчезает, еще, не успев замедлиться до тепловой энергии - при любых размерах реактора.

Виновником является, естественно, U₈, появившийся в активной зоне. Дело в том, что при определенных значениях энергий нейтрона сечение поглощения U₈ резко возрастает, и, значит, увеличивается доля нейтронов, поглощаемых в U₈ до того, как они стали тепловыми. Это и есть явление резонансного поглощения нейтронов.

Если в качестве замедлителя использовать графит (у него _а меньше, чем у воды), то и в этом случае невозможно создать критический реактор (максимальный К_∞ ≈ 0,8).

Единственным замедлителем, позволяющим осуществить цепную реакцию в гомогенном реакторе на природном уране, является тяжелая вода D₂O. Но для такого реактора необходимо ~100 m D₂O и ~3 m урана). D₂O стоит очень дорого, т.к. получается из океанской воды примерно таким же путем, как разделение изотопов урана.

Т.о., нужен реактор другого типа.

Гетерогенный реактор

Соберем уран в отдельные блоки - получится большой куб из графита, в котором просверлены отверстия, и в них вставлены блоки урана.

Чем же этот реактор лучше, чем гомогенный? Напомним, что задача состоит в уменьшении резонансного поглощения нейтронов U₈. Этому как раз и способствует гетерогенная конструкция.

Определенная доля нейтронов, конечно, и в этом случае может бесполезно поглотиться на резонансных пиках U₈ или в графите, но это будет уже небольшая часть всех нейтронов.

Очевидно, существует оптимальное расстояние между топливными блоками и оптимальный размер одного блока. Пересчет многих вариантов дает оптимальные размеры: радиус уранового блока = 2,8 см, расстояние между блоками = 20 см, тогда для бесконечной среды К_∞ = 1,075.

В реакторе конечных размеров активная зона имеет радиус примерно 6 м (~ 40 т урана и 300 т графита), но зато не нужно обогащать уран.

Если взять D₂O, то размеры уменьшаются, но D₂O – дорогая. Ну а с легкой водой реактор вообще “еле дышит”.

Типы ядерных реакторов

Реакторы бывают гомогенные и гетерогенные; на быстрых, тепловых и промежуточных нейтронах; графитовые, тяжеловодные и легководные: на U₅, на природном уране, на U₃, на Pu₉.

Это уже 72 различных варианта (правда, некоторые можно забраковать сразу, например, гомогенный графитный реактор на тепловых нейтронах на природном уране).

Следовательно, имеется очень большой выбор для конструкторов, проектирующих реакторы.

Критическое уравнение реактора

До сих пор мы еще ничего не говорили о том, как получить заданную мощность реактора. Ведь не 100 и не 1000 нейтронов нам нужны (при мощности 500 Вт - 15·10¹² делений/с).

Т.е. встает вопрос: как управлять реактором, как регулировать его мощность? Оказывается, сам принцип управления реактором совершенно иной, нежели для автомобиля, тепловоза, пламени газовой горелки.

Из математики известно, что величина, описываемая однородным дифференциальным уравнением, может быть определена только с точностью до постоянного коэффициента (если не задано какое-либо дополнительное условие), а критическое уравнение реактора является однородным.

Это означает, что в принципе мощность критического реактора может достичь любой величины. (Пример с помещением лишнего блока в критический реактор или выниманием одного блока из критического реактора).

Т.о., мощность ядерного реактора не зависит от критической массы.