2.2. Общие принципы устройства ядерных реакторов

Ядерный (атомный) реактор является устройством для осуществления управляемой цепной реакции деления. Основной частью ядерного реактора является активная зона, в которой происходят формирование энергетического спектра нейтронов, деление ядер топлива и преобразование ядерной энергии в тепловую для последующего использования. Активная зона состоит из ядерного топлива, замедлителя нейтронов (в реакторах на тепловых или промежуточных нейтронах) и конструкционных материалов. Для отвода тепла от активной зоны служит теплоноситель. Управление цепной реакцией деления осуществляется органами регулирования. Для уменьшения утечки нейтронов активную зону окружают отражателем – неделящимся материалом, хорошо рассеивающим нейтроны и слабо их поглощающим. Все эти составные части находятся в корпусе ядерного реактора, закрытого крышкой, на которой смонтированы исполнительные механизмы органов регулирования.

Конструкции ядерных реакторов зависят от их предназначения: для выработки электроэнергии, технологического тепла, теплоснабжения, оружейного материала, вторичного ядерного топлива, сжигания радиоактивных отходов от переработки отработавшего ядерного топлива и т.д. Выбор конструкции ядерного реактора может определяться наличием национальных ресурсов и экономикой страны, соображениями безопасности и опасностью распространения ядерных материалов с целью использования их в качестве оружия.

Проектирование конструкций ядерных реакторов основано на трех основных принципах, а именно на зависимости конструкции реактора:

• от энергии нейтронов, энергетический
• спектр которых должен быть сформирован в его активной зоне (реакторы на тепловых или быстрых нейтронах);
• от конфигурации и структуры активной зоны (гомогенного или гетерогенного
• расположения ядерного топлива, замедлителя, теплоносителя);
• от цели использования ядерного топлива (сжигание, конвертирование сырьевого материала – тория-232 или урана-238, воспроизводство вторичного ядерного топлива).

Обработка верхней обечайки шахты реактора ВВЭР-1000 в цехах АО «Ижорские заводы»

В гомогенном ядерном реакторе топливо в активной зоне может состоять из расплавленного металла, расплавленной соли, водного или органического раствора (жидкосолевые реакторы – ЖСР).

В гетерогенных реакторах топливо представляет собой большей частью стержни из оксидов делящихся или сырьевых материалов. Топливным материалом может быть почти любое сочетание ядер делящегося и сырьевого материалов в смеси или отделенных друг от друга, как в концепции «активная зона (делящийся материал) – зона воспроизводства (сырьевой материал)». В настоящее время в качестве топлива используется уран: природный, содержащий 0,72% урана-235, или, что обычнее, обогащенный, в котором содержание урана-235 повышено до 2–4% в реакторах на тепловых нейтронах и до 20% – в реакторах на быстрых нейтронах.

Монтаж реактора ВВЭР-1000 на Ровенской АЭС

В большинстве энергетических ядерных реакторов в настоящее время в качестве топлива используют керамические таблетки из UO 2, PuO 2 или их смеси UO 2 – PuO 2 (MOX – топливо). Испытываются и соединения UC и UN, не содержащие оксидов.

В качестве замедлителей нейтронов используются обычная вода H 2 O, тяжелая вода D 2 O, бериллий, графит или органический раствор.

Выбор материалов для теплоносителей еще шире. В качестве теплоносителей используются следующие категории материалов:

• обычная и тяжелая вода (H 2 O и D 2 O);
• жидкометаллические теплоносители (К, Na, Zi, Bi, Pb, Hg, Ga, Sn), их соединения и сплавы;
• газообразные теплоносители (газообразный СО 2, гелий, водяной пар, четырехокись азота N 2 O 4);
• органические теплоносители, в основном полифенилы (например дифенил и дифенильная смесь «Даутерм» – 26,5% (С 6 Н 2) 2 и 73% (С 6 Н 5) 2 О; о-Терфенил, п-Терфенил, м-Терфенил; смесь изомеров Терфенила, диталилметан – ДТМ, Сантовакс (смесь дефинила и изомеров Терфенила).

При выборе теплоносителя руководствуются типом реактора, конструкционными материалами, возможностью получения наибольшего к.п.д. реактора и экономическими показателями.