Ядерные реакторы

Давайте немного займемся арифметикой. Предположим, что наша камера, установленная на некотором расстоянии от куска урана весом в один грамм, регистрирует в час всего один импульс, вызванный нейтроном спонтанного деления. Сколько же она будет регистрировать, если вместо одного грамма мы в том же месте поместим тонну урана? Задача кажется очень простой. В одной тонне миллион граммов, поэтому камера сосчитает уже 10⁶ импульсов в час, или около 300 импульсов в секунду. Но это не так. Мы забыли о том, что нейтроны, вылетающие при делении, будут также вызывать деления, и, чем больше окружающая масса урана, тем больше будет этих новых делений и новых нейтронов. Таким образом, число нейтронов в тонне урана будет всегда несколько больше подсчитанного нами.

Общее число нейтронов можно легко подсчитать, если вспомнить, что такое коэффициент размножения нейтронов.

Читатель знает, что если в нашей системе урана с графитом появилось N₀ нейтронов, то эти нейтроны, совершая новые деления, создадут еще N₀K нейтронов, где K — коэффициент размножения. В свою очередь эти N

₀K нейтронов дадут новых N₀K² нейтронов и т. д. В конечном счете вместо N₀ нейтронов мы получим бесконечное число поколений новых нейтронов:

N₀

, N₀K, N₀K², N₀K

³…

Сумма нейтронов всех поколений даст нам общее число нейтронов, полученное в результате появления в системе N₀ нейтронов, причем так как коэффициент размножения меньше единицы, то число нейтронов каждого последующего поколения меньше предыдущего (цепной процесс не идет).

Читатель, окончивший среднюю школу, конечно, знает эти числа: это члены бесконечно убывающей геометрической прогрессии. Сумма всех членов бесконечной убывающей прогрессии равна: .

Не следует думать, что это число нейтронов получается за бесконечно большое время. Скорость нейтронов очень велика, и большое число поколений нейтронов будет рождаться в миллионные доли секунды. За это же время количество нейтронов возрастает до величины, близкой к сумме бесконечно убывающей прогрессии.

Таким образом, система, состоящая из урана или урана с графитом, является умножителем нейтронов. Если мы впустим в нее N₀ нейтронов, то в ней получается большее число  нейтронов (при K<1). В том случае когда коэффициент размножения очень мал, то есть когда количество урана невелико, размножения нейтронов не происходит и N≈N₀

. Но когда размер системы близок к критическому, коэффициент размножения немного меньше единицы и число нейтронов резко возрастает. Так, при K=0,9 в уране рождается нейтронов в 10 раз больше начального количества. Если K=0,99, то первоначальный поток нейтронов увеличивается в 100 раз, если K=0,999, то — в 1000 раз, и т. д. Когда система становится критической, то уже один нейтрон вызывает их бесконечное множество. Теперь нам уже ясно, как экспериментально определяли советские ученые радиус урано-графитового шара, при котором начинается цепной процесс. Они измерили коэффициент размножения для четырех шаровых моделей различных радиусов.

Ученые вносили в эти шары источник, излучающий известное число нейтронов. Определяя ионизационной камерой число нейтронов, полученных внутри шара, можно было просто найти коэффициент размножения. Таким образом было определено четыре возрастающих значения коэффициента размножения для разных радиусов шаровых моделей. Отсюда уже можно было достаточно точно сказать, при каком радиусе системы коэффициент размножения станет равным единице.

В соответствии с расчетами и экспериментами физики решили строить реактор в виде сферы радиусом в три метра.

Первые слои графитовых кирпичей не имели отверстий для урановых блоков и предназначались для отражения нейтронов. После восьми таких слоев начали складывать активную зону, вставляя в отверстия графитовых кирпичей урановые блоки. Этот момент запечатлен на рис. 23.

^{Рис. 23. Сборка активной зоны первого советского реактора}

Увеличение размеров реактора осуществлялось последовательной укладкой графитовых кирпичей слоями толщиной 10 сантиметров. При этом велось тщательное наблюдение за увеличением нейтронного потока. Рост числа нейтронов вначале происходил очень медленно, но при приближении активной зоны к критическим размерам нейтронный поток быстро возрастал.

При строительстве реактора не обошлось без неприятных переживаний. Измерения, проведенные после укладки очередного слоя, неожиданно показали, что коэффициент размножения слишком мало вырос. Творцам первого советского реактора пришлось пережить много тревожных минут. «Неужели, — думали они, — расчеты и эксперименты были ошибочными и в действительности коэффициент размножения не будет больше единицы?» Это означало, что рушилась надежда ученых на осуществление цепного процесса в природном уране и графите.