Принцип действия и ключевые компоненты
Тепловой ядерный реактор — это установка, в которой цепная реакция деления поддерживается с помощью тепловых (медленных) нейтронов. Эти нейтроны образуются в результате замедления быстрых нейтронов, возникающих при делении ядер топлива. Замедление происходит в специальном материале — замедлителе, который располагается в активной зоне реактора. В качестве замедлителей обычно используют вещества с лёгкими ядрами, слабо поглощающими нейтроны: обычную или тяжёлую воду, графит, бериллий, оксид бериллия, углеводороды.
Топливо и воспроизводство
Тепловые реакторы работают на ядерном топливе, в качестве которого чаще всего применяются изотопы урана (U-235) или плутония (Pu-239). Эти изотопы обладают высоким сечением захвата для медленных нейтронов, что позволяет использовать относительно небольшие количества делящегося вещества. Для работы на природном уране его предварительно обогащают. В процессе работы реактора один нейтрон поддерживает цепную реакцию, а остальные могут поглощаться сырьевым материалом (например, ураном-238 или торием-232), превращая его во вторичное топливо (плутоний-239 или уран-233). Таким образом, в некоторых типах тепловых реакторов возможно воспроизводство ядерного топлива.
Управление и безопасность
Мощность реактора регулируется с помощью регулирующих стержней, изготовленных из материалов, интенсивно поглощающих нейтроны (кадмий, бор, редкоземельные элементы). Погружение стержней в активную зону ослабляет цепную реакцию, а их извлечение — усиливает. Дополнительным методом регулирования может служить изменение концентрации борной кислоты в теплоносителе. Ключевым параметром, характеризующим состояние реактора, является эффективный коэффициент размножения нейтронов, который отражает баланс нейтронов в активной зоне.
Теплоносители и конструкционные материалы
Для отвода тепла, выделяющегося в процессе деления, используются теплоносители — вещества со слабым поглощением нейтронов. Чаще всего это вода (обычная или тяжёлая), углекислый газ, гелий или органические жидкости. Вода во многих реакторах выполняет двойную функцию: служит и теплоносителем, и замедлителем. Конструкционные материалы активной зоны (алюминий, циркониевые сплавы) выбираются с учётом их минимального влияния на нейтронный баланс.
Распространение и области применения
Тепловые реакторы являются наиболее распространённым типом ядерных реакторов в мире. Они нашли широкое применение в различных сферах:
- Энергетика: производство электроэнергии на атомных электростанциях.
- Наука: получение радиоактивных изотопов для медицины, промышленности и исследований; изучение физических процессов; испытания материалов и конструкций.
- Промышленность: опреснение морской воды.