Ядерный реактор

Ядерный реактор

Устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция деления, называется ядерным реактором. По назначению они делятся на следующие типы:

1. Исследовательские.
2. Энергетические.
3. Воспроизводящие (реакторы на быстрых нейтронах).
4. Транспортные.
5. Реакторы для промышленного получения изотопов различных химических элементов.

Условием возникновения цепной реакции в реакторе является наличие размножения нейтронов при делении ядер и при k=1.

Управление реактором осуществляется стержнями, которые поглощают нейтроны. Если эти стержни полностью ввести в активную зону, то k<1, если их постепенно выводить из активной зоны, то k>1.

Энергия деления ядер выделяется в виде тепла, которое ис­пользуется для получения пара, вращающего турбину.

Реакторы, работающие на тепловых нейтронах, состоят из делящегося вещества (изотоп урана, торий или плутоний), замедлителя нейтронов (графит, тяжелая вода, обычная вода), отражателя нейтронов (вещество, которое служит замедлителем), си­стемы управления ходом цепной реакции деления (управляющие стержни из соединений бора и кадмия, эффективно поглощающие нейтроны), системы охлаждения, предназначенной для отвода тепла из активной зоны реактора (вода, жидкие металлы, некоторые органические жидкости), системы дозиметрического контроля и биологической защиты окружающей среды от прото­нов, нейтронов иg - излучении.

Реакторы на быстрых нейтронах имеют преимущество: при их работе образуется значительное количество плутония, который затем можно использовать как ядерное топливо. Реакцию можно поддерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не менее 15% изотопа  .

В реакторах-размножите­лях коэффициент воспроизвод­ства k может быть равен 1,5, т. е. при делении 1 кг урана получается 1,5 кг плутония. В обычных реакторах k =0,6—0,7.

Таким образом, при деле­нии ядер  реактор одновре­менно воспроизводит ядерное горючее  в количестве, превосходящем израсходо­ванное.

Выделение нескольких нейтронов при делении ядер создает возможность для осуществления цепной реакции. Вероятность захвата медленных нейтронов с последующим делением в сотни раз больше, чем быстрых.

Контролируя среду, в которой делятся ядра, можно создать условия, где на каждую реакцию деления в среднем приходится один вылетающий нейтрон, вызывающий последующую реакцию деления.

Термоядерная реакция

Реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии, называется термоядерной реакцией.

Для слияния необходимо, чтобы расстояние между ядрами приблизительно было равно 10-12 см.

Однако этому препятствуют кулоновские силы. Они могут быть преодолены при большой кинетической энергии. Особенно большое практическое значение имеет тот факт, что при этой реакции на каждый нуклон выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции, например, при синте­зе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ, а при делении ядра урана  на один нуклон приходится ≈0,9 МэВ.

Пример термоядерной реакции:

В этом случае выделяется энергия, равная 17,6 МэВ.

Управляемая термоядерная реакция — энергетически выгодная реакция. Может идти при больших температурах (порядка несколько сотен млн. градусов). При большой плотности вещества такая температура может быть достигнута путем создания в плазме мощных электронных разрядов. Проблема: трудно удержать плазму.

Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в звездах. В настоящее время в России и ряде других стран ведутся работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции.