Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
128
Рис. 34. Устройство ядерного реактора (пояснения в тексте)
стых бетонных стен и баков с водой. К отражателю обычно пристраивают так называемую тепловую колонну 49 о назначении которой будет сказано ниже.
Для управления цепной реакцией служат специальные управляющие стержни 5, изготовленные из материалов, способных сильно поглощать нейтроны. Введение таких стержней в активную зону приводит к уменьшению числа свободных нейтронов и тем самым к задержке или даже к полному прекращению цепной реакции. Каналы б служат для проведения различных экспериментов.
При работе реактора в активной зоне и частично в отражателе выделяется громадное количество энергии, которая в конечном счете проявляется в виде теплоты. Для того чтобы реактор не перегревался и не разрушался, тепловую энергию из него необходимо непрерывно отводить. С этой целью через активную зону постоянно прокачивается или газ, или вода, или какое-нибудь иное вещество, отбирающее теплоту из активной зоны и передающее ее затем атмосферному воздуху, воде реки или пару, идущему в турбину электростанции. Тепловая мощность некоторых реакторов достигает нескольких миллионов киловатт, а их высота соответствует высоте пятиэтажного дома.
Ядерные реакторы строят для различных целей. Одни служат специально для производства 239Pu, другие предназначены для получения электроэнергии на электростанциях или морских судах, третьи созданы для научных исследований. На последнем применении реакторов остановимся несколько более подробно.
ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР КАК ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРИБОР
Ядерный реактор - чрезвычайно мощный источник нейтронов. Если ускоритель по интенсивности излучения эквивалентен десяткам или сотням килограммов радия, то реактор в состоянии производить в секунду столько
129
же нейтронов, сколько их образовалось бы в результате применения нескольких тысяч тонн радия в смеси с бериллием! Эти нейтроны можно использовать для облучения различных образцов, для получения искусственных радиоактивных изотопов и для самых разнообразных физических исследований. Эксперимент на реакторе можно проводить по-разному: в одних случаях образцы и приборы вводят по специальным каналам внутрь самого реактора, в других случаях удобнее вести работу вне реактора в нейтронных пучках, выходящих из каналов наружу.
При проведении экспериментов на реакторах экспериментаторам всегда приходится помнить, что в реакторах различных типов и даже в разных точках одного реактора энергии нейтронов могут оказаться совершенно разными. Дело в том, что непосредственно при делении рождаются довольно быстрые нейтроны со средней энергией около 2 МэВ. В реакторах с большим количеством графита или воды нейтроны быстро замедляются, а потом долго блуждают между атомами замедлителя со скоростями, близкими к скоростям теплового движения атомов среды. Такие нейтроны называют тепловыми; их средняя энергия составляет всего 0,03 эВ. Оказалось, что в реакторах рассматриваемого типа практически все случаи деления ядер урана происходят именно под действием тепловых нейтронов, поэтому такие реакторы носят название тепловых. Тепловые реакторы изучены наиболее полно, и сейчас подавляющее большинство действующих ядерных реакторов относится к этому типу.
И все же в активной зоне теплового реактора есть не только тепловые, но и более быстрые нейтроны, которые еще не успели замедлиться. В отражателе такого реактора источников быстрых нейтронов нет, поэтому там относительное количество тепловых нейтронов гораздо больше, чем в активной зоне. Для того чтобы получить одни только тепловые нейтроны, к активной зоне реактора пристраивают длинную призму из чистого графита. Пройдя ее, все нейтроны практически растрачивают свою энергию при многочисленных столкновениях с ядрами и в конечном итоге приходят в тепловое равновесие со средой. На первом реакторе такая призма стояла сверху в виде колонны, поэтому сейчас все устройства этого типа называют тепловыми колоннами (см. рис. 34), хотя теперь их обычно делают горизонтальными и по форме совершенно непохожими на колонны.
Совершенно иная картина наблюдается в реакторах с силь-нообогащенным топливом. В них вовсе не нужен замедлитель, так как чистые 2 35U или 239Pu делятся очень хорошо под
130
действием нейтронов любой энергии. В таких реакторах нейтроны успевают попасть в ядро и вызвать деление раньше, чем их энергия уменьшится до энергии теплового движения. Поэтому в активных зонах этих реакторов тепловых нейтронов нет совсем, цепная реакция идет на быстрых, нейтронах и такие реакторы называются реакторами на быстрых нейтронах. Однако и в реакторах на быстрых нейтронах можно получить тепловые нейтроны, если к ним пристраивать тепловые колонны. Таким образом, в реакторе на быстрых нейтронах можно проводить эксперименты с нейтронами любых энергий — от очень быстрых нейтронов до тепловых. Нужно только уметь правильно выбрать точку, куда поместить образцы. Поэтому реактор на быстрых нейтронах является более универсальным физическим прибором и предоставляет физикам более широкие возможности для проведения экспериментов, чем тепловой реактор.
