Атомная электростанция отличается от тепловой лишь тем, что пар для турбин нагревается за счет энергии ядерной реакции — деления ядер урана на два (изредка — три) крупных осколка. Этот процесс привлек внимание физиков в первую очередь потому, что может самоподдерживаться, поскольку относится к цепным.
Такая общеизвестная химическая реакция, как горение, идет сама собой — для нее необходимы лишь топливо, окислитель и начальный подвод тепла. «Горение» ядерного топлива обеспечить сложнее: чтобы ядра делились, к каждому из них нужно поднести персональную спичку — нейтрон. Но природа предоставила эту возможность — при распаде ядра вылетают несколько нейтронов с энергией около 2 МэВ. Цепная реакция будет продолжаться, если хотя бы один из этих нейтронов, поглотившись новым ядром, вызовет его деление и появление нейтронов следующего поколения. Отношение числа нейтронов, участвующих в некоторой стадии ядерной реакции, к числу нейтронов предыдущего поколения на той же стадии называют коэффициентом размножения К, Эта величина полностью определяет динамику цепного процесса: при К = 1 реакция идет с постоянной скоростью, при К>1 ускоряется, при К<1 гаснет.
Казалось бы, раз при делении одного ядра высвобождаются два или три (в среднем — 2,3) нейтрона, ничего не стоит добиться ускоряющейся или по крайней мере стационарной реакции. В действительности это совсем непросто, ибо в силу множества причин нейтроны выбывают из игры.
Вылетев из расколовшегося ядра, нейтрон может попросту уйти за пределы активной зоны реактора. Чтобы уменьшить вероятность такой потери, реактор делают достаточно большим, а активную зону окружают отражателем — веществом, ядра которого не вступают в реакции с нейтронами, но играют роль барьера, препятствующего их быстрой утечке. Если же нейтрон остался в активной зоне, его подстерегает другая опасность — захват ядром примеси или конструкционного материала. Предположим, что и этого не случилось. Тогда рано или поздно частицу поглотит ядро одного из изотопов урана — 238U или 235U. При поглощении быстрых нейтронов в 238U деление происходит лишь в 5 случаях из 100, а в остальных 95 образуется 239U, и нейтрон выпадает из цепочки размножения. Ядро же 235U расколется в 85 случаях из 100, и только 15 нейтронов бесполезно уйдут на образование 236U. В естественных рудах содержится 99,3% 238U, тогда как 235U — всего лишь 0,7%, и вдобавок вероятность захвата быстрых нейтронов тяжелым изотопом урана намного выше, чем легким. Поэтому в чистом природном уране самоподдерживающаяся цепная реакция не идет.
Если нейтрон не захватывается ураном сразу, он некоторое время блуждает внутри активной зоны, сталкиваясь с разными ядрами и теряя при этом скорость. В конце концов его энергия падает до 0,025 эВ — средней энергии теплового движения и больше не меняется. Такие медленные, или тепловые, нейтроны, уже неспособны вызвать деления 238U и при поглощении этим изотопом неизбежно теряются для реакции. Зато тепловые нейтроны могут приводить к делению ядер 235U, — причем захватываются они легким изотопом гораздо чаще, чем тяжелым. Но, замедляясь при столкновениях, нейтроны неминуемо проходят через область промежуточных энергий (1—10 эВ), в которой вероятность захвата ядрами 238U достигает максимума. Поэтому если не принять специальных мер, большинство быстрых нейтронов просто не успеют превратиться в тепловые.
Выход был найден в использовании замедлителя — вещества, при движении в котором нейтроны не захватываются, но быстро теряют энергию. Обычно уран помещают в замедлитель небольшими порциями на некотором расстоянии друг от друга. Быстрые нейтроны, возникшие при делении урана в одной из таких частей, вылетают за ее пределы в замедлитель. Здесь частицы снижают скорость до тепловой и затем могут достаточно долго путешествовать, пока вновь не попадут в уран. Теперь они почти наверняка поглотятся ядрами легкого изотопа и вызовут новые деления. Цепная реакция пойдет дальше.
Мы коснулись лишь малой части проблем, возникающих при разработке ядерного реактора. Ученым и конструкторам приходится принимать во внимание множество самых разных факторов, а главное — учитывать, что каждый из них с течением времени может меняться, и заботиться, чтобы никакие изменения не могли помешать уверенному управлению реактором.
Цепным процессом в реакторах управляют с помощью стержней из вещества, хорошо поглощающего нейтроны (как правило, кадмия или бора). Вводя эти стержни в активную зону, можно замедлить размножение нейтронов и тем самым притушить цепную реакцию, извлекая стержни — активизировать ее. Какие же изменения в активной зоне приходится компенсировать перемещением стержней-поглотителей?
Прежде всего в ходе работы идет выгорание ядерного топлива — уменьшается количество ядер, способных делиться (обычно это ядра 235U, но горючим может также служить плутоний 239Pu или 233U, образующийся из тория), и возрастает количество осколков деления. Выгорание топлива приводит к уменьшению К. Чтобы период непрерывной работы реактора был достаточно долгим, свежее горючее содержит избыток делящихся изотопов. Поэтому вначале реактор работает с множеством погруженных управляющих стержней, а по мере выгорания топлива они выдвигаются наружу.
Впрочем, в реакторе топливо не только выгорает, но и образуется вновь. Как уже говорилось, если нейтрон был захвачен ядром 238U и деления не произошло, возникает изотоп 239U. Этот изотоп самопроизвольно (с периодом полураспада Т½ = 23 мин.) превращается в нептуний 239Np, а тот, в свою очередь, в плутоний (Т½ = 2,3 дня). Правда, в реакторах на тепловых нейтронах плутония образуется меньше, чем выгорает урана, и в целом количество делящихся ядер все-таки падает.
Вещество управляющих стержней также постепенно перерождается. Любое его ядро, поглотив нейтрон, в дальнейшем теряет такую способность, и потому эффективность стержней снижается. Влияние этого процесса, который называют выгоранием поглотителя, противоположно влиянию выгорания топлива — из-за него величина К может несколько расти.
Наконец, со временем меняется и состав материалов активной зоны — замедлителя, несущих конструкций, элементов измерительных систем и системы охлаждения. Вообще говоря, подбирая эти материалы, стараются найти такие, на которые постоянная бомбардировка нейтронами оказывает наименьшее действие. Однако полностью его избежать не удается.
Такие изменения происходят довольно медленно, за многие месяцы. Есть и процессы, идущие быстрее. Самый важный из них — отравление реактора. При делении урана в одном из пятнадцати случаев среди прочих осколков образуется теллур-135, который быстро превращается в радиоактивный йод-135, а тот через несколько часов (Т½ = 6,7 час) — в ксенон-135. Ксенон же обладает весьма неприятной способностью сильно поглощать нейтроны — вероятность захвата нейтрона ядром 135Xe в миллион раз выше, чем ядром 238U. Поэтому накопление 135Xe (ксеноновое отравление) приводит к заметному падению коэффициента размножения и затуханию цепной реакции. Если реактор работает с постоянной мощностью, отравления не происходит: устанавливается равновесие между образованием ксенона и его исчезновением за счет выгорания при захвате нейтронов, а также самопроизвольного превращения в цезий-135 (Т½ = 9,2 час). Но если по каким-то причинам мощность реактора быстро упадет, то нейтронные потоки в нем уменьшатся и выгорание ксенона замедлится, а поскольку накопившийся йод-135 продолжает превращаться в ксенон, отравление будет нарастать. Если же через какое-то время цепная реакция вновь усилится, ксенон вскоре выгорит, и после этого момента коэффициент размножения увеличится еще больше. Таким образом, кратковременное падение мощности, при котором, как говорят специалисты, реактор попадает в «йодную яму», сильно затрудняет управление блоком. Изменения К при этом можно сравнить с колебаниями груза на пружине, который при движении опоры вверх сначала отстает от нее, но затем подскакивает неожиданно высоко.
Однако наиболее важны для управления реактором самые быстрые процессы, которые способны изменить коэффициент размножения за минуты или секунды. Среди вторичных нейтронов различают мгновенные, вылетающие из расколовшегося ядра почти сразу же после захвата первичных, и запаздывающие, вылет которых задерживается в среднем на десяток секунд. Если бы все нейтроны были мгновенными, изменение мощности реакции шло бы так быстро, что ни оператор, ни автоматика не уследили бы за ним (за секунду друг друга сменяют тысячи поколений мгновенных нейтронов). И только благодаря запаздывающим нейтронам, доля которых для 235U составляет всего 0,0065 (эта величина обозначается β), реакцию можно заставить развиваться достаточно медленно. Для этого нужно только, чтобы коэффициент К ни при каких обстоятельствах не превышал 1,0065. В таком случае величина К на одних мгновенных нейтронах всегда будет меньше 1, и опасно быстрое нарастание мощности исключено.
Как видим, в реальных условиях коэффициент размножения почти не отличается от единицы. Поэтому специалисты обычно используют более удобный показатель — реактивность ρ = (К—1)/К. Если реактивность положительна, цепная реакция усиливается, отрицательна — затухает, равна нулю — идет на постоянном уровне.
Изменение мощности реакций обычно вызывает изменение величин К и ρ. К примеру, при усилении реакции может повыситься температура активной зоны. Это приводит к увеличению тепловой скорости нейтронов, а также к расширению материалов в реакторе или даже изменению взаимного положения деталей. Все это неизбежно скажется на ходе реакции, так что К и ρ примут новые значения. Связь между мощностью реакции и реактивностью может объясняться и многими другими причинами. Результат их совместного действия представляют с помощью мощностного коэффициента реактивности. Если мощностной коэффициент отрицателен, случайное усиление цепной реакции приведет к падению величины ρ, и система сама собой вернется к прежнему состоянию. Если же мощностной коэффициент положителен, система будет уже не саморегулирующейся, а саморазгоняющейся. И хотя быстрым опусканием стержней-поглотителей в принципе можно пресекать саморазгон, такие ядерные установки не строят.