1.2. Основные ядерные реакции. Поглотитель. Отражатель. Активная зона реактора.
Напомним, что основными составляющими атомного ядра любого вещества являются элементарные частицы двух типов - положительно заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны. Кроме того, в любом объеме окружающей нас материи всегда присутствуют (пусть даже в незначительном количестве) свободно блуждающие нейтроны1. Наличие их может быть вызвано, например, космическим излучением. Именно нейтроны имеют особо важное значение в возникновении и поддержании цепной реакции деления. В самом деле, в отличие от заряженных частиц, таких, как протон, нейтрон не испытывает электрического отталкивания при приближении к положительно заряженному ядру. Следовательно, нейтрон, обладающий даже небольшой кинетической энергией, способен "войти в непосредственный контакт" с атомным ядром и в некоторых случаях разрушить его. При разрушении тяжелого ядра освобождаются новые нейтроны, что создает благоприятные условия для развития цепной реакции. В процессе разрушения ядер вещества выделяется тепло, которое и используется, например, в атомных электростанциях.
Рассмотрим теперь более обстоятельно, чем вообще может закончиться контакт нейтрона с ядром. Согласно одной из моделей, сближение нейтрона с ядром может привести к образованию так называемого составного ядра (ядро атома + нейтрон). Когда ядро захватывает нейтрон, получающееся составное ядро всегда находится в "состоянии возбуждения", обладая при этом некоторым избытком энергии. Возбужденное составное ядро может, во-первых, потерять свою избыточную энергию, испустив γ-кванты. Ядерные процессы, при которых частица захватывается, а избыток энергии затем испускается в виде γ-излучения, называются реакциями радиационного захвата. Во-вторых, статистические перераспределения избытка энергии в возбужденном составном ядре между частицами, составляющими ядро, могут привести к тому, что какой-нибудь нейтрон составного ядра приобретет энергию, достаточную для того, чтобы преодолеть внутренние ядерные силы и покинуть ядро. Вообще говоря, испускаемый нейтрон будет иметь меньшую кинетическую энергию и другое направление движения по сравнению с нейтроном, прореагировавшим с ядром.
Описанный процесс - частный случай так называемой реакции рассеяния. В широком смысле под термином рассеяние понимают любой механизм взаимодействия нейтрона с ядром, конечным продуктом которого является свободный нейтрон и первоначальное ядро. Хорошо известен, например, механизм рассеяния, при котором составное ядро не образуется [1].
Помимо этих двух ядерных реакций для некоторых веществ с тяжелыми атомными ядрами (уран, плутоний) возможен третий тип ядерных взаимодействий, а именно: захват нейтрона приводит к образованию составного ядра в возбужденном состоянии, столь неустойчивого, что оно распадается на два меньших ядра (осколка) с одновременным испусканием нескольких нейтронов. Это - процесс деления, о котором мы уже упомянули. В частности, в каждом акте деления изотопа урана 235U высвобождается (как установлено экспериментально) в среднем 2,5 нейтрона. Наряду с образованием осколков и вылетом нейтронов процесс деления сопровождается выделением энергии.
Следует отметить, что на самом деле картина нейтронно-ядерных взаимодействий значительно сложнее, но мы сознательно на протяжении проводимого рассуждения будем игнорировать все другие эффекты, кроме приведенных выше.
После описания трех основных типов ядерных реакций можно без труда вообразить себе ситуацию, которая возникает в среде, не содержащей делящегося материала (неразмножающая среда), и которая может возникнуть в среде, содержащей делящееся вещество (размножающая среда).
В первом случае свободные нейтроны, оказавшиеся в среде, могут испытывать только рассеяние и радиационный захват и в конечном итоге либо будут поглощены, либо вылетят за пределы рассматриваемой среды в результате механического перемещения в пространстве2.
Во втором случае имеется реакция, умножающая нейтроны. Таким образом, в среде наблюдаются конкурирующие процессы; радиационный захват и утечка, уменьшающие число нейтронов в среде, и реакция деления, увеличивающая их число. Если суммарное число нейтронов в среде, возникающих в результате реакции деления, преобладает над захватом и утечкой, то развивается так называемый лавинный процесс: случайно оказавшиеся в среде свободные нейтроны в силу статистических законов примут участие во всех видах ядерных реакций, в результате чего следующее поколение нейтронов окажется более многочисленным; это поколение нейтронов в свою очередь воспроизведет более многочисленное поколение и т.д. По такому же лавинному закону высвобождается ядерная энергия - в итоге может произойти ядерный взрыв.
Если захват и утечка преобладают над делением, то возможен только затухающий процесс. Наконец, если воспроизводство нейтронов в точности уравновешивается захватом и утечкой - в среде возможна стационарная самоподдерживающаяся цепная реакция, в результате которой равномерно (по времени} выделяется энергия. Такую размножающую среду заданного состава и объема будем называть критической.
Если в качестве размножающей среды берется однородная смесь делящихся и не делящихся материалов, целиком заполняющая объем реактора (гомогенный реактор), то соответствующий реактор будет называться критическим.
Из приведенного рассуждения совершенно естественно приходим к определению коэффициента размножения «К» принятому в теории гомогенного ядерного реактора.
Коэффициент размножения описывает текущее состояние (объем, состав) размножающей среды в гомогенном реакторе:
При этом возможно три существенно различных состояния такого реактора:
k<1 Количество нейтронов от поколения к поколению уменьшается и цепная реакция (после достаточного числа поколений) затухает.
Это состояние называется подкритическим.
k=1 Количество нейтронов от поколения к поколению остаются постоянным, цепная «самоподдерживается» (стационарная цепная реакция).
Это состояние называется критическим и занимает особое место между под- и над критическим состоянием.
k>1 Количество нейтронов от поколения к поколению растет.
Это состояние называется надкритическим.
При такой классификации ясно, что наиболее безопасным является подкритическое состояние (k<1), которое всегда создается при пуске реактора, а наиболее опасным - надкритическое состояние (k>1). Однако для того, чтобы реактор выполнял свое назначение требуется создавать критические состояния (k=1), когда в реакторе достаточно длительное время существует большое число нейтронов, которое не изменяется, а это становится возможным путем создания надкритических состояний. Чтобы это понять попробуем ответить на следующий вопрос.
Каковы же принципиальные возможности выхода на стационарный режим в размножающей среде из ее подкритического состояния?
Заметим, что любая размножающая нейтроны среда всегда может быть взята в столь малом объеме, что будет осуществляться только затухающий процесс. В самом деле, реакция деления протекает во всем объеме среды, а утечка нейтронов происходит через внешнюю ее поверхность. Следовательно, справедлива следующая грубая пропорция
Но правая часть записанного равенства неограниченно растет с уменьшением объема среды, а это означает, что в малом объеме утечка подавит реакцию деления и процесс воспроизводства нейтронов затухнет.
А что произойдет, если отправляясь от малого объема размножающей среды, постепенно наращивать его? Формально уже ясно, что отрицательная роль утечки будет при этом падать. Этот важный в теории реакторов факт заслуживает того, чтобы на очень простой модели осознать его физическую суть.
Пусть в нашем распоряжении имеется некоторый объем V размножающей среды. Если по какой-либо причине в объеме V окажутся свободные нейтроны, то некоторая доля их будет потеряна в результате утечки в окружающее пространство. Очевидно, что покинувшие объем V нейтроны уже не представляют никакой ценности для реакции деления.
Предположим, далее, что к объему V вплотную приблизили такой же объем того же самого вещества. Теперь часть нейтронов, вылетающих из одного объема, будут попадать в другой и наоборот -объемы "питают" друг друга нейтронами! Это означает, что вылетевшие из одного и попавшие в другой объем нейтроны еще имеют возможность внести определенный вклад в реакцию деления. Еще больше уменьшится отрицательная роль утечки в случае большого числа сдвинутых вплотную объемов V - взаимная подпитка нейтронами здесь гораздо существеннее, чем в случае двух объемов. Так, в быту усиленно разжигаемое полено "не хочет" гореть в одиночку (большая утечка тепла в окружающее пространство!), но несколько поленьев, сложенных вместе, могут великолепно гореть длительное время (горящие поленья взаимно подогревают друг друга).
Итак, наращивая объем размножающей среды, мы постепенно уменьшаем роль утечки, в результате чего могут возникнуть условия для осуществления самоподдерживающейся цепной реакции (разумеется, если процесс радиационного захвата не настолько велик сам по себе, чтобы подавить воспроизводство нейтронов).
Именно таким способом осуществляется загрузка ядерного топлива в реактор перед его пуском. Добавляя в объем неразмножающей среды при обычной температуре предварительно изготовленного реактора делящийся материал в виде ядерного топлива, можно увеличить коэффициент размножения до единицы и достичь критического состояния. Необходимое для этого количество ядерного топлива (например, в кг) называется критической загрузкой реактора.
Другой путь выхода на критический режим - введение в делящееся вещество неделящегося вещества с очень сильным радиационным захватом (поглотителя). Если эту смесь "горючего" и поглотителя взять в некотором объеме и постепенно извлекать из него непроизводительно поглощающее нейтроны вещество, то снова можно надеяться достичь условий для возникновения стационарного самоподдерживающегося процесса.
Второй способ используется в основном для создания исходного подкритического состояния реактора и регулирования интенсивности цепного процесса. Для этого в конструкции реактора предусмотрены специальные элементы (исполнительные органы регулирования) изготовленные из материалов сильно поглощающих нейтроны (поглотители). Перед пуском реактора поглотители размещаются в его объеме и вместе с загруженным (как описано выше) ядерным топливом создают его слегка подкритическое состояние (k<1). Затем, извлекая поглотители, можно создать условия для возникновения критического состояния (k=1). Дальнейшее извлечение поглотителя приводит к надкритическому состоянию (k>1). Несмотря на опасность надкритического состояния, такое состояние необходимо (хотя бы кратковременно) создавать для увеличения числа нейтронов (интенсивности цепного процесса) в критическом реакторе, если необходимо изменить его мощность. Это осуществляется путем извлечения поглотителя из критического реактора. При этом число нейтронов в реакторе начинает увеличиваться. Возвращая в некоторый момент времени поглотитель в исходное положение, получаем критическое состояние (k=1), но с большим числом нейтронов (мощность реактора повышается). Для выполнения этой процедуры обычно используются твердые поглотители, которые перемещаются с помощью электродвигателя по сигналу оператора управления реактором.
Наличие твердых поглотителей не делает среду реактора гомогенной: в объеме реактора появляется твердый поглощающий материал, не содержащий делящегося вещества. Поэтому объем реактора разбивается по меньшей мере на две части: активную зону, содержащую ядерное топливо, и часть, заполненную поглотителем. Однако в случае большого числа твердых поглотителей малого размера равномерно распределенных между ядерным топливом поглотительную часть включают в состав размножающей среды (активной зоны) и реактор снова можно рассматривать как гомогенный. При этом основные рассуждения не изменяются.
В заключение этого качественного рассмотрения обсудим роль так называемого отражателя в реакторе. Пусть нам удалось подобрать объем делящегося вещества, в котором идет стационарная цепная реакция. Предположим теперь, что этот объем окружен слоем неделящегося вещества, которое рассеивает нейтроны, но не поглощает их (или поглощает очень слабо). Что же произойдет? Те нейтроны, которые раньше вылетали из размножающей среды и безвозвратно терялись для процесса воспроизводства, теперь будут попадать в рассеивающий слой. В этом слое, претерпевая рассеивающие столкновения, нейтроны могут менять свои направления движения и часть их будет снова возвращаться в размножающую среду. Возвратившиеся нейтроны создадут условия для развития лавинного процесса. Чтобы вернуть реактор в условия стационарного режима, нужно, очевидно, уменьшить размеры активной зоны реактора, т.е. размножающей среды. Положительная роль добавленного слоя (отражателя) бесспорна: отражатель экономит делящийся материал (снижается критическая загрузка) и попутно играет роль биологической защиты от нейтронного излучения.
Проведенное качественное рассмотрение иллюстрирует роль отдельных ядерных реакций (деление, радиационный захват, рассеяние) в возникновении и поддержании цепного процесса. Становится ясным роль размеров реактора, которая определяется утечкой нейтронов, через внешнюю поверхность реактора и которая может быть уменьшена наличием отражателя.
Понятна также роль поглотителей в составе конструкции реактора для изменения его состояний, которые определяются коэффициентом размножения k. С помощью твердых поглотителей происходит процесс регулирования интенсивностью цепного процесса и они образуют исполнительные органы механической части системы управления и защиты (СУЗ) реактора. Функция защиты состоит в быстром вводе поглотителей в реактор для перевода его в подкритическое состояние. Кроме исполнительных органов СУЗ должна включать в себя средства контроля состояния реактора. Это осуществляется с помощью детекторов нейтронов, которые регистрируют число нейтронов. Для пуска реактора из подкритического состояния требуются также внешние (по отношению к активной зоне реактора) источника нейтронов. Последнее обусловлено тем, что извлечение поглотителей из подкритического реактора при полном отсутствии нейтронов в реакторе не приводит к увеличению числа нейтронов, поскольку все рассмотрение проводилось в предположении наличия хотя бы одного внешнего нейтрона (например, из космического излучения). Если нейтронов в реакторе нет, а реактор подкритичен (k<1) лавинообразный процесс умножения нейтронов начаться не может (нужна «спичка» хотя бы из одного нейтрона) для «разжигания ядерного пожара».
Таким образом из проведенного качественного рассмотрения установлено:
• основными ядерными реакциями в реакторе являются деление, захват и рассеяние;
• цепная реакция протекает в основном в активной зоне реактора;
• если реактор конечных размеров, то на возможность осуществления стационарной цепной реакции сказывается утечка через его поверхность;
• уменьшить утечку можно путем окружения активной зоны отражателем: неразмножающей среды с большим рассеянием и слабым поглощением;
• регулирование интенсивности цепного процесса осуществляется поглотителями;
• в качестве характеристики интенсивность цепного процесса выбирается число нейтронов в реакторе;
• возможность осуществления стационарного цепного процесса определяется коэффициентом размножения для заданной конфигурации реактора;
• для контроля интенсивности цепного процесса в реакторе необходимы детекторы нейтронов.
• для пуска нового реактора необходимы внешние источники нейтронов.
Источники и детекторы нейтронов необходимы также для установления количественных характеристик ядерных реакций, с помощью которых рассчитывается, в частности, коэффициент размножения любого реактора:
Этой формуле, следующей из приведенного рассмотрения, мы придадим точную формулировку, а сейчас рассмотрим ядерные и другие процессы, которые полагаются в основу конструкции источников и детекторов нейтронов.