Начать можно с того, что ядерный реактор используемый в энергетике или транспорте, – почти всегда реактор на медленных нейтронах. Исключения очень редки, могут быть сочтены по пальцам рук, и все они – российские. Эксперименты с созданием мощных реакторов на быстрых нейтронах проводились во многих странах, но везде за границей завершились неудачей. Причины этого заслуживают отдельного рассмотрения, – как и реакторы на быстрых нейтронах вообще, – здесь же достаточно отметить, что, обладая рядом преимуществ, работать они могут только на высокообогащённом топливе. Соответственно, энергия получается дорогой.
Важнее в данном контексте различия между «быстрыми» и «медленными» нейтронами. Отличием ядер способных к поддержанию цепной реакции изотопов является образование при их распаде среди прочих осколков и нескольких свободных нейтронов (что, кстати, не типично для распада, – обычно «отлетают» электрон, позитрон или ядро гелия). Рождающиеся таким образом свободные нейтроны – «быстрые». Вероятность их поглощения другим ядром (и последующего распада этого ядра) мала. Ведь для того, чтобы нейтрон в состав ядра вошёл, его энергия должна быть поглощена ядерными силами… Ну, это как астероиды летящие навстречу Земле со скоростью, соответственно, 60 километров в секунду. Такой снаряд может зацепить атмосферу планеты, но все равно уйдёт. Для импакта требуется прямое попадание. Астероид же летящий вдогон, медленно сблизится и скатится в гравитационную яму планеты, – его падение неизбежно.
...Можно, впрочем, и проще. «Медленные» нейтроны дольше остаются в зоне реакции.
Стать же «медленным» быстрый нейтрон может только растратив энергию. И быстрее всего тормозит нейтроны водород. При столкновении нейтрон отдаёт протону сразу половину энергии… И, вообще, в качестве замедлителя – катализатора цепной реакции – используются разные лёгкие или содержащие водород вещества.
Вообще, разные, но если иметь в виду реакторы промышленные, то вариантов всего три. В качестве замедлителя могут использоваться обычная вода, тяжёлая вода и, – если требуется замедлитель твёрдый, – графит. Почему именно графит, хотя есть немало химических элементов легче углерода? Очень хорош, например, бериллий… Но предпочтение отдаваемое графиту, это чисто техническое решение. Графит технологичен, доступен и, главное, – правда только химически чистый графит, – сам нейтроны не поглощает. Вода же, кстати, если она не тяжёлая, лишена этого достоинства. Нейтроны могут поглощаться с образованием ядер дейтерия. Тем не менее, обычная вода вне конкуренции, – в отличие от тяжёлой воды или химически чистого графита она ничего не стоит.
...И, кстати, о поглощении. Поглотитель в реакторе тоже нужен. Он вступает в игру в моменты, когда интенсивность распада требуется понизить, убрав из активной зоны лишние нейтроны. И практически без альтернативы для этой цели применяется бор. Точнее, его стабильный изотоп бор-10, охотно захватывающий нейтроны с образованием изотопа бор-11, также нерадиоактивного.
Самое же мучительное при конструировании реакторов, это выбор теплоносителя, – вещества, которое будет отводить тепло из зоны реакции. Оно должно обладать высокой теплоёмкостью, радиационной стойкостью, «прозрачностью» для нейтронов, химической инертностью, низкой температурой плавления и высокой температурой кипения. К сожалению, химия нашей вселенной существования соединения с нужными свойствами не предусмотрела. Так что, в промышленных реакторах обычно в качестве теплоносителя используется вода, у которой буквально по всем зачётам, кроме теплоёмкости, жирные минусы. Как исключение же может применяться углекислый газ. Как исключение, поскольку в его-то случае и с теплоёмкостью – не фонтан.
...Следовательно, о типах энергетических ядерных реакторов. Считая те которые строились массово в прошлом и остаются в эксплуатации сейчас, их пять. В том числе всего два продолжают строиться в настоящее время… Чему, собственно, не стоит удивляться. Всё-таки, реактор на медленных нейтронах уже устарел.
...Первый тип, и одновременно лидер забега, ибо к нему относятся две трети работающих и почти все строящиеся, – это водо-водяной реактор. Репутация установок этого типа до Фукусимы считалась безукоризненной, – до совершённых японцами открытий предполагалось, что такой реактор неуничтожим.
Вода в водо-водяной реакторе используется в качестве замедлителя и теплоносителя одновременно. Устройство представляет собой сверхпрочный стальной котёл. При затоплении горючего, замедленные водой нейтроны разжигают реакцию. Вода в котле перегревается до 322 градусов Цельсия, но не кипит, ибо давление в системе достигает 160 атмосфер. Безопасность же достигается двойным контуром охлаждения. Вода прошедшая через ядерное пламя используется во втором котле для нагрева обычной, не облучённой воды. И уже она, превращаясь в пар, вращает турбины. В первом контуре практически нет движущихся, подверженных износу деталей… да и просто он скрыт глубоко в слоях бетона и свинца... утечки же из второго не грозят радиационным заражением.
Кипящий реактор можно считать американским вариантом водо-водяного котла, отличающийся образованием пара прямо в активной зоне. Понижение рабочего давления до 70 атмосфер позволяет удешевить производство, но сильно осложняет эксплуатацию установки. Ибо поломка подвержены прежде всего турбины, а они в случае кипящего реактора вращаются радиоактивной водой.
Прочие имеющие или имевшие распространение реакторы имеют иную, – без котла, – конструкцию. Они именуются «канальными». В канальном реакторе используется твёрдый замедлитель – графит. Активная зона, собственно, представляет собой массу графитовых блоков, нагреваемых содержащими уран стержнями. Преимуществами такого устройства являются возможность дозаправки реактора в процессе работы и дешевизна изготовления. Что в сумме обеспечивает экономическую эффективность, в том числе и благодаря достижимости более высокого уровня выгорания топлива. Тепловыделяющие сборки можно менять местами, переставляя выгоревшие ближе к центру, – туда где плотнее нейтронный поток. Дольше служат и дешевле обходятся и сами сборки, с химически агрессивной водой не контактирующие.
Недостатком же канальной конструкции являются собственно «каналы» – множество пронизывающих твердотельную активную зону труб, по которым движется теплоноситель. Трубы – это дёшево (сравнительно с рассчитанным на огромное давление котлом из специальных сплавов), сердито и опасно. Ибо, трубам свойственно течь. Кроме этого, канальный реактор потенциально разрушим. Упавший авиалайнер, грузовик с гексогеном, – да вообще, что угодно, кроме ядерной бомбы, – реактор с котлом даже не оцарапают. С канальным так не получится.
...Из канальных же реакторов следует упомянуть «канадские» тяжеловодные, – только они ещё строятся. Использование в качестве теплоносителя тяжёлой воды позволяет сжигать уран вообще не обогащённый. Что является очевидным и огромным экономическим преимуществом. Однако, помимо очень дешёвой электроэнергии «варварский» реактор производит ещё и массу радиоактивных отходов. Достаточно сказать, что обычное для прочих «медленных» реакторов обогащение топлива до 3-4% сокращает количество отходов в 15-25 раз, реакторы же на быстрых нейтронах дают в 200 раз меньше отходов, чем тяжеловодные.
К устаревшим типам канальных реакторов относятся британские газоохлаждаемые. Там всё, в принципе, как в тяжеловодном варианте, – и достоинства те же, – но вместо тяжёлой воды используется углекислый газ. Он дешевле, не разъедает трубы, что ещё более повышает экономическую эффективность, но склонен к утечкам, и не обладает достаточной теплоёмкостью, что негативно сказывается на габаритах и удельной мощности установки.
...Наконец, нельзя не упомянуть, – среди устаревших, – советские графито-водные «чернобыльского типа» реакторы. К данной разновидности относился ещё и реактор первой в мире Обнинской АЭС… И, казалось бы, мелочь, – использование обычной воды, вместо дорогой в получении тяжёлой. Но – не мелочь. Только в конструкции такого реактора вода работает, как поглотитель. Благодаря массе графита, относительный вклад воды в поглощение нейтронов оказывается выше, чем в их замедление.
...Что это означает на практике, все, в принципе, видели. Графито-водный реактор – единственный из всех – обладает положительной реактивностью. В случае выкипания воды, реакция не останавливается сама собой, а разгоняется. Что лишает устройство «защиты от оператора». Подойдя к делу с выдумкой, графито-водный реактор можно взорвать просто нажатием кнопок на пульте. Но как это было проделано на Чернобыльской АЭС – отдельная история.
