«Приручить атом» — это значит научиться контролировать ядерную цепную реакцию. Именно для этого придумали атомный реактор — конструкцию, в которой цепная реакция идёт именно с той интенсивностью, с которой нужно человеку. А как её удаётся удерживать внутри реактора? Объясняем, что такое отражатель и почему нейтроны не «разбегаются».
Как работает реактор?
Атомный реактор работает на особом топливе — это делящееся вещество, уран-235. Когда в ядро атома урана попадает нейтрон, оно делится на части. Именно в этот момент высвобождается огромное количество энергии, которую атомная станция преобразует в электрическую. В этот же момент из расщеплённого ядра вылетают освободившиеся нейтроны. Когда новые нейтроны попадают в соседние ядра урана, они тоже делятся — и так по цепочке. Это и есть управляемая цепная реакция: нейтрон ударяет ядро, оно делится, выпускает ещё нейтроны, они ударяют соседние ядра, те делятся…
Реактор сконструирован так, чтобы поток нейтронов, которые заново и заново расщепляют атомные ядра, был более-менее равномерным. Это нужно для того, чтобы ядерная реакция не замедлялась. Но ведь направление движения нейтронов получается хаотичным — почему же тогда они не разлетаются?
Тайм-аут здесь лишний
Это одна из хитростей атомного реактора: активная зона, где идёт ядерная реакция, окружена отражателем нейтронов. Не путать с зеркалом: отражатель не «отражает» нейтроны, создавая их зеркальную копию, а, скорее, «отбивает» их обратно в активную зону.
Представьте себе хоккейную площадку, в которой идёт азартная игра: хоккеисты носятся с бешеной скоростью, а между ними ещё быстрее мечется шайба. Когда шайбу ловит хоккеист, он отбивает её другим игрокам, и матч продолжается. Так и в реакторе: шайбы-нейтроны сталкиваются с клюшками — ядрами урана, и игра-реакция идёт дальше. Но если шайба улетает с площадки, ситуацию спасают только высокие бортики, отбивая её обратно. Иначе получится как у мальчишек, затеявших хоккей на замёрзшем пруду: игра будет постоянно прерываться, пока спортсмены бегают за улетевшей со льда шайбой. Для реактора такие тайм-ауты недопустимы: если ядерная реакция замедлится, то она перестанет быть цепной и вовсе остановится. Отражатель нейтронов в реакторе и есть такие «бортики»: он уменьшает утечку нейтронов из активной зоны.
Дело в материале
Не каждый материал умеет вот так «отбивать» нейтроны. И дело тут не столько в конструкции или конфигурации «бортика», столько в веществе, из которого он изготовлен. Такое вещество должно обладать слабым поглощением нейтронов.
В самых распространённых сегодня водо-водяных реакторах это вода: корпус реактора — большая ёмкость с водой, в которую погружена активная зона. В графитовых, которые строили на заре эры мирного атома, — графит: сделанные из него блоки окружают активную зону. Другие варианты материалов для отражателей — тяжёлая вода и бериллий.
Это те же самые материалы, из которых изготавливают замедлители нейтронов. Замедлитель — это ещё один элемент реактора, который помогает поддерживать цепную реакцию. Замедлитель, как и отражатель, тоже тормозит нейтроны. Только если функция отражателя — не выпустить нейтроны из активной зоны, то функция замедлителя — не дать нейтронам слишком сильно разгоняться внутри активной зоны. Разгоняясь, нейтрон превращается из теплового (медленного) в быстрый, а в классическом реакторе в ядерную реакцию вступают только тепловые нейтроны.
По сути, замедлителю и отражателю нужны одни и те же свойства: они должны уметь не поглощать, а «отбивать» нейтроны и сохранять нужный для работы реактора нейтронный поток.
Реакторы на быстрых нейтронах: зона воспроизводства
Есть такие реакторы, у которых отражателя нет: это реакторы на быстрых нейтронах. Дело в том, что в них реакцию поддерживают только быстрые нейтроны, замедлять их нельзя, а любой отражатель, как мы выяснили, это ещё и замедлитель. Но как тогда удерживать нейтроны в быстром реакторе?
Активная зона быстрого реактора тоже окружена специальной оболочкой. Но её материал — это уже не замедлитель, а уран-238. Такая оболочка, как и отражатель, уменьшает утечку нейтронов. Но вместо того, чтобы возвращать нейтроны обратно в активную зону, она их использует, вовлекает в реакцию: уран-238 «ловит» дополнительный нейтрон и превращается в плутоний-239. Из такого плутония можно изготовить свежее топливо для атомного реактора. Поэтому оболочка быстрого реактора — не отражатель, а так называемая зона воспроизводства.
Важная деталь
Активная зона реактора должна постоянно находиться в балансе: игра должна продолжаться. Нейтронов всегда должно хватать, чтобы расщеплять следующее и следующее ядро, при этом они должны соблюдать определённый «скоростной режим», не замедляясь и не ускоряясь. Чтобы такой баланс поддерживать, используют сразу целый букет разных способов и механизмов. Это и замедлители, и регулирующие стержни, и химический состав топлива, и даже конфигурация тепловыделяющих сборок. Отражатель — один из них.
