Атомный (ядерный) реактор представляет собой сложное инженерное сооружение, предназначенное для поддержания управляемой цепной реакции деления атомных ядер. В процессе этой реакции выделяется колоссальное количество энергии, которая затем преобразуется в электрическую или тепловую. Современная наука и техника используют различные типы реакторов, каждый из которых имеет свои конструктивные особенности и области применения.
Классификация атомных реакторов
Ядерные реакторы систематизируют по нескольким ключевым параметрам, что отражает их разнообразие и специализацию.
1. По назначению
Реакторы делятся на три основные группы:
1) Исследовательские — используются в научных целях для изучения свойств материалов, производства изотопов и фундаментальных физических экспериментов.
2) Энергетические — основное назначение этих установок — генерация электроэнергии для промышленности и населения.
3) Реакторы для получения вторичного топлива (бридеры) — способны нарабатывать новое ядерное топливо (например, плутоний-239 из урана-238), превышая количество израсходованного.
2. По способу распределения топлива
Здесь выделяют два типа:
1) Гетерогенные реакторы — наиболее распространённые. Топливо в виде таблеток размещено в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах), которые отделены от замедлителя.
2) Гомогенные реакторы — топливо (в виде раствора или суспензии) равномерно смешано с замедлителем.
3. По энергии нейтронов
Нейтроны, вызывающие деление ядер, классифицируют по их скорости:
1) Реакторы на быстрых нейтронах — используют высокоэнергетические нейтроны без замедления.
2) Реакторы на тепловых нейтронах — нейтроны предварительно замедляются до тепловых скоростей, что увеличивает вероятность их поглощения ядрами топлива.
3) Реакторы на промежуточных (резонансных) нейтронах — занимают промежуточное положение между двумя предыдущими типами.
4. По виду теплоносителя
Теплоноситель отводит тепло из активной зоны реактора. В качестве него применяют:
1) обычную (лёгкую) воду,
2) инертные газы (гелий, углекислый газ),
3) органические жидкости,
4) жидкие металлы (натрий, свинец, свинец-висмут),
5) тяжёлую воду (D₂O),
6) расплавленные соли (фториды).
5. По виду замедлителя нейтронов
Замедлитель снижает скорость нейтронов до оптимальной. Используются:
1) обычная вода,
2) тяжёлая вода,
3) графит,
4) бериллий или его оксид.
В реакторах на быстрых нейтронах замедлитель отсутствует.
6. По степени обогащения топлива
Обогащение урана повышает долю делящегося изотопа урана-235:
1) реакторы на естественном уране (содержание U-235 ~0.7%),
2) реакторы на слабообогащённом уране (2-5% U-235),
3) реакторы, работающие на высокообогащённом уране или чистом делящемся изотопе.
История создания атомного реактора
Путь к созданию первого реактора был долгим и основывался на фундаментальных открытиях в ядерной физике. Важнейшими вехами стали первая искусственная ядерная реакция, осуществлённая Эрнестом Резерфордом в 1919 году, и открытие искусственной радиоактивности супругами Фредериком и Ирен Жолио-Кюри в 1934 году.
Практическая реализация управляемой цепной реакции связана с именем выдающегося итальянского физика Энрико Ферми. Его научная карьера в Италии, где он стал членом Королевской академии, была прервана в 1938 году из-за усиления фашистского режима и антисемитских законов. Поскольку жена Ферми была еврейкой, семья была вынуждена эмигрировать в США. В том же году Ферми получил Нобелевскую премию по физике за работы по нейтронной бомбардировке и открытию новых радиоактивных элементов.
В США Ферми возглавил проект по созданию первого в мире ядерного реактора. Установка, известная как «Чикагская поленница-1», была успешно запущена 2 декабря 1942 года под трибунами стадиона Чикагского университета. Это событие ознаменовало начало атомной эры и доказало возможность управления цепной реакцией деления.
В Советском Союзе аналогичная работа велась под руководством Игоря Васильевича Курчатова. Первый отечественный экспериментальный реактор Ф-1 был выведен на критический режим 25 декабря 1946 года в Москве, на территории Лаборатории №2 (ныне — Курчатовский институт). Это достижение стало ключевым шагом в развитии советской ядерной программы, обеспечив страну необходимыми знаниями и технологиями.