Это условие будет выполнено, если коэффициент размножения нейтронов k больше или равен единице. Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо “поколении” к числу нейтронов предшествующего “поколения”.
Под сменой поколений понимают деление ядер, при котором поглощаются нейтроны старого поколения и рождаются новые нейтроны. Если k>1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным, и цепная реакция идет. При k<1 число нейтронов убывает, и цепная реакция невозможна».
[14]
Чему в принципе может быть равен коэффициент размножения? Как определить, чему он будет равен для среды данного состава, данной формы и размеров, от чего он зависит, как можно придавать ему требуемое значение?
В предельном, идеальном случае коэффициент размножения равен числу вторичных нейтронов, рождающихся в среднем на один акт деления. Для урана-235 это число равно 2.416, т. е. при делении одной тысячи ядер, которое вызвано тысячей первичных нейтронов, рождается 2416 вторичных нейтронов.
Условие номер один, при котором коэффициент размножения был бы равен этому числу, состоит в том, чтобы среда, в которой предполагается осуществить цепную реакцию, состояла бы только из делящегося изотопа урана-235. И чтобы всякий нейтрон, поглощаясь в уране, вызывал бы деление со стопроцентной вероятностью.
Но так не бывает. Бывает, что нейтрон поглощается, не вызывая деления.
Не бывает ядерных реакторов с топливом, содержащим 100 % изотопа уран-235. Не бывает ядерных реакторов с ураном в химически чистом – металлическом – виде. Уран может применяться только в виде химических соединений; сейчас это в основном двуокись урана, в перспективе рассматривается нитрид урана.
Для цепной реакции в природном уране или в уране слабоогащенном, т. е. в таком, где массовая доля урана-235 повышена до нескольких процентов, необходим замедлитель нейтронов. А любой замедлитель, как и вообще любое вещество, является одновременно и поглотителем. Слабым, но поглотителем. Кроме того, в природном и в слабообогащенном уране основным поглотителем нейтронов является не поддерживающий цепную реакцию уран-238. Поглощение нейтронов в уране-238 и в замедлителе – вот две основные причины, существенно снижающие значение коэффициента размножения по сравнению с предельно возможной 2.416: снижающие до значений или немного превышающих единицу, или даже меньших, чем единица.
Интересно и характерно: увеличение количества замедлителя уменьшает захват нейтронов в уране-238, но одновременно – что совершенно естественно – увеличивает поглощение нейтронов в самом замедлителе.
Величина, которая характеризует уменьшение захвата в уране-238, называется вероятностью избежать резонансного захвата. С увеличением количества замедлителя эта вероятность растет, стремясь к единице. Величина, которая характеризует поглощение в замедлителе и во всех прочих материалах активной зоны, называется коэффициентом использования тепловых нейтронов. С увеличением количества замедлителя этот коэффициент падает, стремясь к нулю.
Реальное значение коэффициента размножения получается умножением числа 2.416 на произведение двух величин: вероятность избежать захвата в уране-238 и на коэффициент использования тепловых нейтронов, и еще на некоторые величины, которые от количества замедлителя не зависят и при данном составе топлива являются постоянными.
Если одна величина растет, стремясь к единице, а другая падает, стремясь к нулю, то их произведение должно иметь максимальное значение; до этого максимума оно растет, а затем падает. Стало быть, при увеличении количества замедлителя коэффициент размножения сначала растет, достигает максимума, затем падает. То есть должно существовать какое-то количество замедлителя в расчете на единицу массы топлива, при котором коэффициент размножения максимален.
Одним из важнейших шагов в развитии теории цепной ядерной реакции стало определение оптимального соотношения количеств замедлителя и ядерного топлива. Это соотношение может быть выражено величиной отношения объемных концентраций атомных ядер замедлителя и топлива. Может быть выражено отношением объемов замедлителя и топлива.
А может – величиной шага решетки замедлителя, воды или графита.
3. Устройство «реактора чернобыльского типа» и причины неустойчивости и небезопасности такого реактора
Графит – основной конструктивный элемент активной зоны ядерного реактора РБМК-1000. Габаритные размеры графитовой кладки – 14×14 м в плане (в длину и в ширину) и 8 м в высоту.
Кладка образована вертикальными колоннами, общее количество которых равно 2488 шт.; каждая состоит из устанавливаемых друг на друга призматических блоков размерами 25×25 см в плане и 60 см в высоту. Этот размер – 25 см – и есть шаг решетки. Таким образом, каждая колонна – это вертикальная призма, имеющая в сечении форму квадрата со стороной 25 см и высотой 8 м.
В графитовых блоках имеются продольные сквозные отверстия диаметром 114 мм. При установке блоков друг на друга, т. е. при сборке колонны, внутри колонны образуется вертикальный цилиндрический канал, тракт.
В этот вертикальный тракт вставляется труба из циркониевого сплава – технологический канал. Внешний диаметр трубы – 88 мм, внутренний – 80, т. е. толщина стенки канала – 4 мм. В трубу технологического канала сверху устанавливается тепловыделяющая сборка (ТВС) с ядерным топливом.
Графитовый блок
Канальный ядерный энергетический реактор РБМК. Под общ. редакцией Ю.М. Черкашова. М.:ГУП НИКИЭТ, 2006.
ТВС состоит из расположенных один над другим двух пучков тепловыделяющих элементов – ТВЭЛ, или твэл. ТВЭЛ в данном случае – это стержневой элемент, представляющий собой тонкостенную трубу, заполненную двуокисью урана в виде цилиндрических таблеток. Эта труба традиционно называется оболочкой ТВЭЛ. Для РБМК-1000 диаметр оболочки – 13.6 мм, толщина стенки – 0.9 мм. Труба герметически закрыта с обеих сторон заглушкам. С помощью дистанционирующих решеток и концевых элементов твэлы закреплены вокруг центрального несущего стержня. Твэлы и центральный стержень занимают примерно половину площади сечения трубы технологического канала. В пространстве между твэлами течет теплоноситель – кипящая вода.
Общая высота ТВС, включая штангу-подвеску, на которой она крепится – подвешивается – при установке в технологический канал, – 10 м с небольшим. Высота, занимаемая топливом верхнего и нижнего пучка ТВЭЛ, вместе с зазором между пучками – 7 м. Это и есть высота активной зоны, т. е. активная зона занимает 7 из 8 метров высоты графитовой кладки.
Ячейки (колонны), где расположены технологические каналы, т. е. ячейки, формирующие активную зону, образуют симметричный, близкий по форме к цилиндру, массив, вписывающийся в квадрат 12×12 метров. Поскольку вся кладка вписывается в габарит 14×14 метров, то активная зона окружена кольцом из 4-х рядов колонн, не содержащих ядерного топлива. Эти колонны выполняют роль бокового отражателя нейтронов, уменьшающего их утечку за пределы реактора.
