Атомные реакторы применяются сейчас для самых различных целей: для получения электроэнергии на атомных станциях, для облучения материалов, изготовления радиоизотопов, для получения плутония или мощных потоков нейтронов и гамма-лучей. Поэтому нужны различные типы атомных реакторов.
Для научных целей чаще всего строят небольшие реакторы, содержащие всего несколько десятков килограммов урана, обогащенного ураном-235. Мощность этих реакторов от одной тысячи до 20 тыс. квт. В таких реакторах активная зона пронизана каналами для вывода нейтронных пучков и облучения ими различных веществ. Обычно эти реакторы охлаждаются водой и имеют низкую температуру.Для производства электроэнергии нужно строить реакторы, имеющие высокую температуру: 300 —500°Ц. Уран заключают в оболочку из нержавеющей стали или циркония, а воду подают под давлением до 100 атм.
Для природного или слабообогащенного урана можно строить только реакторы на медленных нейтронах. Эти реакторы дают на каждый затраченный атом урана-235 примерно 0,8 атома плутония, или, как говорят, их коэффициент воспроизводства горючего равен 0,8.
Если применить в реакторе сильно обогащенный уран, можно убрать замедлитель, поглощающий часть нейтронов, и сделать коэффициент воспроизводства горючего больше единицы — до 1,4. Здесь нет никакого противоречия: ведь плутоний в реакторе образуется не из урана-235, а из урана-238. Если образовалось 1,5 кг плутония, то исчезло столько же урана-238; но, главное, с помощью реактора с расширенным воспроизводством можно сделать полезным весь уран-238.
Атомный реактор, работающий на мощности в один миллион киловатт, потребляет в сутки 1 кг урана-235. Количество урана-235 в атомном горючем постепенно уменьшается, а количество плутония и осколков деления возрастает. Многие осколки деления сильно захватывают нейтроны, и если уран время от времени не заменять, то реактор остановится: цепная реакция прекратится.
Урановые тепловыделяющие элементы извлекают из реактора и отправляют на химические заводы для переработки. Там их растворяют в кислоте, и полученный радиоактивный раствор подвергают разделению. Обычно уран в виде уранилнитрата UO2(NO3)2 извлекается из водного раствора диэтиловым эфиром или трибутилфосфатом.
Оставшиеся в водной фазе плутоний и осколки деления разделяют и направляют на переработку или хранение, а уранилнитрат превращают либо в металлический уран для повторного использования в реакторе, либо в летучее соединение — гексафторид урана UF6, который обогащают на специальных установках изотопом U235.
Мощное излучение атомного реактора не только вызывает превращения элементов, но и нарушает структуру материалов, из которых он изготовлен. Особенно сильно облучается само атомное горючее — уран. Его пронизывают осколки деления, нейтроны, -частицы и -лучи. Под действием облучения уран становится хрупким, распухает, деформируется, нержавеющая сталь также становится более хрупкой. Графит при облучении быстрыми нейтронами увеличивается в размерах, вода медленно разлагается на водород и кислород. Совершенно не выносят мощное облучение пластмассы, полупроводники, электрические кабели, поэтому все эти материалы нуждаются в толстом слое защиты. Самая сложная задача при конструировании атомного реактора — сделать его урановые тепловыделяющие элементы такими надежными, чтобы ни один из нескольких тысяч элементов не вышел из строя из-за какой-либо неполадки, связанной с облучением деталей реактора.
Атомный реактор — настоящая фабрика новых элементов и изотопов периодической системы (рис. 7). Атомы урана при делении разлетаются на осколки. Если бы каждое из ядер урана делилось точно поровну, из него получилось бы два ядра элемента 46, т. е. палладия. Но чаще всего атом урана делится на два неравных осколка. В результате деления получаются практически все элементы с атомным весом от 70 до 160. Все осколки деления содержат избыточное число нейтронов и поэтому радиоактивны. Распадаясь, они испускают --частицы и -лучи и превращаются при каждом распаде в элементы с зарядом, на единицу большим, до тех пор, пока не будет достигнуто устойчивое соотношение
протонов и нейтронов. Вот некоторые из осколков деления урана и их периоды полураспада: рубидий-86 — 18 дней, цезий-137 — 27 лет, стронций-90 — 28 лет, барий-140 — 12,8 дня, серебро-111 — 7,5 дня, кад-мий-115 — 43 дня.
Смена нейтронных «поколений» в реакторе происходит за тысячные доли секунды, поэтому даже очень небольшое изменение коэффициента размножения нейтронов вызывало бы сильные колебания в мощности реактора, если бы не запаздывающие нейтроны. Более 99% нейтронов испускается при делении мгновенно, но 0,7% — с запаздыванием от десятых долей секунды и до 55 секунд. Запаздывающие нейтроны играют роль буфера, смягчающего колебания в мощности реактора. До тех пор пока коэффициент размножения нейтронов не выходит за пределы между 0,993 и 1,007, запаздывающие нейтроны не дают реактору слишком быстро уменьшать или увеличивать мощность, и это намного облегчает управление и увеличивает безопасность его работы. Если же в результате крупных неполадок коэффициент размножения нейтронов выйдет за указанные пределы, запаздывающие нейтроны уже не смогут удержать реактор от очень быстрой остановки или очень быстрого увеличения мощности. Тогда начинают действовать регулирующие или аварийные стержни.
Атомный реактор нужно уметь выводить на заданную мощность, удерживать на ней и в нужный момент прекращать цепную реакцию (рис. 6). Чтобы мощность реактора увеличилась, достаточно сделать коэффициент размножения нейтронов чуть больше единицы. В каждом реакторе небольшая часть каналов предназначена не для урановых стержней, а для стержней регулирующих или стержней аварийной защиты. Эти стержни делают из вещества, сильно поглощающего нейтроны: в маломощных реакторах — из легкоплавкого кадмия, а в реакторах мощных, работающих на промышленность,— чаще всего из стали с добавкой бора, сильно поглощающего нейтроны. Регулирующие стержни приводятся в действие электромашинными устройствами, связанными со счетчиками нейтронов. Как только мощность реактора падает, регулирующие стержни поднимаются выше, если же мощность слишком нарастает — опускаются и поглощают избыточные нейтроны.
Стержни аварийной защиты обычно подвешены над пустыми каналами на электромагнитах. Стоит случиться какой-либо неисправности — прервется подача электроэнергии или появится активность в охлаждающей воде, как цепь питания электромагнитов разорвется и стержни почти мгновенно остановят мощный реактор.
Вот постройка нового атомного реактора закончена, и в готовую графитовую решетку загружают урановые стержни. Коэффициент размножения нейтронов постепенно нарастает. Когда он достигнет 0,8—0,9, в один из пустых каналов опускают источник нейтронов и включают измерительную аппаратуру. Постепенно, по мере приближения коэффициента размножения к единице, число нейтронов, регистрируемых специальными счетчиками, становится все больше и больше и, наконец, мощность начинает медленно нарастать, даже если убрать из реактора источник нейтронов, — физики говорят: «реактор достиг критичности», или: «достигнута необходимая критическая масса». Иногда критическая масса достигается не изменением общей массы урана, а резким уменьшением поверхности системы — тем самым уменьшается и доля вылетающих из системы нейтронов. Типичный пример такого реактора — атомная бомба, в ней «критическая масса» достигается сближением двух урановых полусфер.