|
Меню сайта
Статистика
|
Жизнь нейтронов в реактореЖизнь нейтронов в реактореЕсли бы мы захотели вскипятить чайник, зажигая под ним спички одну за другой, то напрасно потеряли бы время; точно с таким результатом можно облучать небольшой кусок урана нейтронами: будет происходить большое количество делений, но кусок урана не только но взорвется, а даже не нагреется. Ведь для выделения тепловой мощности всего в один ватт в уране должно происходить ни много ни мало 3,1•1010 делений в секунду! Чтобы получить в атомном реакторе от реакции деления большое и постоянное количество тепла, нужно, чтобы уран все время облучался очень мощным потоком нейтронов. Эти нейтроны могут быть только вторичными, возникшими при делении урана, потому что у нас нет других таких мощных нейтронных источников. Значит, одно «поколение» нейтронов, сменяя другое, должно быть количественно равным ему. При делении возникает в 2,5 раза больше нейтронов, чем расходуется. Чтобы следующее поколение нейтронов было таким же, как предыдущее, нужно, чтобы из всех возникших вторичных нейтронов ровно столько же израсходовалось на деление ядер урана, а избыток — на другие процессы. Проследим за короткой жизнью нейтронов в атомном реакторе. Нейтроны, рождающиеся при делении урана, называются быстрыми нейтронами. Их энергия равна приблизительно миллиону электрон-вольт, а скорость — 14 000 км/сек. Быстрые нейтроны не очень активно делят уран-235. Чтобы вызвать деление, быстрый нейтрон должен пролететь в куске урана-235 в среднем 8 см. В природном уране, до того как быстрому нейтрону удастся разделить ядро урана-235, он должен пролететь 11,5 м! На самом же деле нейтрон не может пролететь такое расстояние; он гораздо раньше поглощается ядрами урана-238. Поэтому в сплошной массе естественного урана быстрые нейтроны, рождающиеся при делении, не могут вызвать цепную реакцию. Совсем иначе ведет себя попавший в уран медленный нейтрон. Его энергия равна 0,025 электрон-вольт и скорость всего 2,2 км/сек. В куске чистого урана-235 такой нейтрон вызовет деление уже на пути в 0,33 мм! Чтобы вызвать деление в куске природного урана, медленному нейтрону достаточно пробежать всего 4,7 см. На таком коротком пути у нейтрона уже гораздо меньше шансов пропасть, поглотившись в уране-238, так как средний пробег медленного нейтрона в уране-238 до поглощения — 7,2 см. Посмотрим, что произойдет, если все быстрые нейтроны, вылетающие из делящихся атомов урана, превратятся в медленные. При каждом делении урана образуется 2,5 быстрых нейтрона. Если мы замедлим их без потерь — получим 2,5 медленных нейтрона. Медленные нейтроны расходуются в природном уране на три основных процесса: деление урана-235, поглощение в уране-238 и поглощение в уране-235 без деления, но с образованием урана-236. Ученые вычислили вероятность этих трех процессов. На пути в 1 см вероятность поглощения нейтрона, приводящего к делению,— 0,21, поглощения в уране-238 — 0,14 и, наконец, поглощения в уране-235 — 0,04. Коэффициент использования медленных нейтронов для деления урана будет равен отношению вероятности деления к вероятности потери нейтрона:
Значит, если бы мы могли замедлить нейтроны без потерь, каждое деление в уране вызывало бы 2,5.0,54=1,35 новых делений: «коэффициент размножения» нейтронов в такой системе был бы гораздо больше единицы и атомный реактор мог бы работать.
Чтобы замедлить нейтроны, уран в реакторах окружают толстым слоем замедлителя: графита, тяжелой воды, бериллия или других веществ. Сталкиваясь с атомами замедлителя, нейтроны передают им часть своей энергии и постепенно замедляются. Чтобы замедлиться от энергии в миллион электрон-вольт до 0,025 электрон-вольт, нейтрон должен испытать в обычной воде 18 соударений с атомами водорода, в тяжелой воде —25, в графите — 110 соударений с атомами углерода, в бериллии — 82 соударения с его атомами. Казалось бы, самый лучший замедлитель — обыкновенная вода, но обычный водород довольно сильно поглощает нейтроны. Самый лучший замедлитель нейтронов — тяжелая вода, за ней графит, на третьем месте— бериллий. В процессе замедления часть нейтронов, конечно, теряется. Расчеты физиков показали: если смешать порошок графита и урана, то потери будут слишком большими; потери можно сделать гораздо меньшими, если стержни из урана поместить в чистый графит. Наиболее выгодное соотношение между графитом и ураном: один атом урана на 150 атомов углерода. Удалось рассчитать ученым и оптимальные размеры урановых стержней: диаметр примерно 3 см, а наилучшее расстояние между стержнями около 20 см. В такой уран-графитовой системе коэффициент размножения нейтронов равен 1,13. Этот коэффициент уже совсем ненамного превышает единицу. Но мы еще не учли, что часть нейтронов будет вылетать из реактора наружу. Если сделать реактор очень большим, долю вылетающих нейтронов можно уменьшить до 3—5% . Это соответствует кубическому реактору с длиной ребра в 6 — 8 м (900 — 1600 стержней). Графитовые отражатели толщиной в 40—60 см частично вернут обратно нейтроны, покидающие «активную зону» реактора. Вес урановой загрузки такого реактора достигает 200 т, а общий вес активной зоны и отражателя превышает 1000 т. Работающий атомный реактор выделяет очень много тепла, его надо охлаждать. Обычно его охлаждают водой, но, так как уран химически реагирует с водой, приходится урановые стержни помещать в алюминиевые чехлы и мириться с тем, что в реакторе, кроме графита и урана, будет еще какое-то количество алюминия и воды, поглощающих нейтроны. В результате избыток коэффициента размножения нейтронов оказывается совсем небольшим — на 5—8% больше единицы. Если детали реактора будут сделаны из не совсем чистых материалов, то он может и вовсе не заработать. Поэтому в строительстве реакторов применяются только высококачественные материалы. КАК И ИЗ ЧЕГО ВЕЩЕСТВО ПОСТРОЕНО
|
ПОИСК
Block title
|
