Что вообще происходит в реакторе?

Каждый атом каждого делящегося элемента (урана, плутония и т.п.) содержит ядро. Рано или поздно это ядро самопроизвольно делится на два одинаковых. Вот так, было одно, а стало два. Причем, каждый из свежеполучившихся атомов испускает из себя нейтрон (на самом деле, два или три). Если нейтрон врежется в другой атом радиоактивного элемента, то ядро атома (внезапно!) поделится. Это - ядерная реакция.

Сразу после деления, каждое из новополучившихся ядер испустит нейтрон, который, в свою очередь, заставит поделиться еще одно ядро. А потом еще и еще. Это - цепная ядерная реакция.

Как несложно заметить, если бы каждый нейтрон или хотя бы большая их часть обязательно врезалась в ядро, нарастание количества ядер и нейтронов, шло бы в геометрической прогрессии и поддерживалось бы само собой. Это называется неконтролируемой цепной реакцией или ядерным взрывом.

читать дальшеНо ядерная реакция - штука вероятностная. Вероятность попадания нейтрона в ядро атома зависит от нескольких факторов, основные из которых:

- Скорость нейтрона. Чем ниже скорость, тем выше вероятность попасть в атом.
- Количество делящегося вещества на единицу объема.

То есть, чтобы реакция была цепной, нам надо либо замедлить нейтроны, либо собрать в кучу много атомов делящегося вещества.

Количество вещества, которое надо собрать в одном месте для самоподдерживающейся реакции называется критической массой.

Но если взять природный уран и самосвалами ссыпать его в кучу, ничего полезного из этого не выйдет: чистого урана не существует, а есть лишь урановые руды, содержащие в себе уран в небольших количествах. Урана будет много, но он рассеян по большому пространству. Ничего не происходит.

Тогда замедлим нейтроны. Оказывается есть вещество, которое называется "замедлитель". В нём скорость нейтрона существенно снижается. Замедлителем может быть графит, тяжелая вода и даже, после некоторых манипуляций руками, наша с вами обыкновенная H2O.

Еще есть вещество, называемое поглотителем. Классический поглотитель - кадмий. Нейтроны уходят в него, как в черную дыру. Если засунуть в нашу гору урана брусок кадмия, всё станет еще хуже: многие нейтроны погибнут, так и не найдя свой атом для деления.

Итак, реактор:

Возьмем немного делящегося вещества (например того же урана), добавим к нему замедлителя (воды) и поглотителя (кадмия). Внимание! Пошла реакция! Всё это снабдим автоматикой и механизацией: меньше воды, больше воды. Кадмиевые стержни вдвинуть в реактор, выдвинуть из реактора. Вот и управление реактором. Больше поглотителя - слабее реакция.

Комментарий от физика-реакторщика, сотрудника Курчатовского института: много-мало воды, это естественный процесс, называемый саморегуляцией. Когда вода нагревается, она расширяется, расстояние между атомами водорода, играющими основную роль в замедлении нейтронов, увеличивается и реакция замедляется.

Откуда же берется ток? Дело в том, что все эти частицы обладают огромной энергией. Столкновения, деления, снова столкновения... Энергия, как водится, уходит в тепло и корпус реактора сильно греется. Осталось сделать теплообменник: вода проходит через реактор, превращается в пар, пар крутит турбину, турбина крутит генератор, вот вам и ток. А вода конденсируется, охлаждается и снова в реактор.

Да-да, паровая машина. А вы что ожидали?

Сольем воду. Удалим замедлитель. Ой, а куда делась реакция? Кончилась. Нейтроны носятся как угорелые и никуда не попадают, вещества на кубометр маловато. Ничего и не происходит. Фиг вам, а не ядерный взрыв в реакторе.

Кстати, о ядерном взрыве. Ядерный взрыв - это неуправляемая самоподдерживающаяся цепная реакция. Чтобы её получить, надо сначала делящийся материал обогатить. Ну что бы в том же самом бруске содержалось не 2% урана, а все 90%. И не лоховского 238U, который, хоть тресни, никогда не даст самопроизвольного деления, а пацанского 235U. Итак, берем в каждую руку по бруску высокообогащенного урана весом в половину критической массы, размахиваемся и хренакс бруском по бруску! Осторожно, не попадите по пальцу и не забудьте вымыть руки с мылом. Шутка. Можете не мыть, ибо ваши руки будут распылены в атомную пыль: за десять в минус восьмой степени секунд в результате деления возникнет гигантское количество ядер, а вся накопленная тепловая энергия ломанется наружу. Вспышка, электромагнитный импульс, грибок, взрывная волна.

А как же Чернобыль?

А в Чернобыле и не было никакого ядерного взрыва. Вы паровую машину в детстве делали? А ожоги долго заживали? Такая вот паровая машина взорвалась и там. Скоординированными умелыми действиями горе-экспериментаторы спровоцировали резкий рост скорости ядерной реакции, резкое увеличение выделения тепла. Чпок и тепловой взрыв. Такой мощности, что крышу разворотило, а всё накопившееся в реакторе радиоактивное вещество выкинуло в воздух. Вот и вся авария.

Что происходит у Японцев?

Та же паровая машина. Только сломались насосы и вода не качается, а реактор греется. Потому, что реактор у них хитрый, так называемый водо-водяной. Там одна и та же вода и замедлитель и теплоноситель. И вот её сейчас надо куда-то девать. Вернее, воды там уже мало, сплошной пар, который греется и грозит сделать бум оболочке реактора. Можно его выпустить в воздух, так он, сцуко, радиоактивный - шутка ли, столько времени через реактор протекать (такая радиоактивность называется наведенной). Вот и стравливают по чуть-чуть, откуда и увеличение фона в тысячу раз.

Такие дела.

Большой апдейт

В комментариях возникло много вопросов, дополнений и уточнений.

Что там за стержни какие-то?

В любом реакторе есть два типа стержней (таких металлических цилиндров):

- тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ) - стержень собственно делящегося материала - урана или плутония. Это топливо для реактора.

- поглотитель - стержень из любого вещества, поглощающего нейтроны. Например Кадмия. Из поглотителей состоят управляющие элементы и аварийная защита. Введение поглотителя в активную зону реактора притормаживает реакцию. Аварийная защита предполагает экстренный сброс в активную зону всех имеющихся стержней поглотителя и полное глушение реактора.

ТВЭЛы располагаются либо в сборке из графита (чернобыльский реактор), либо в бассейне с водой (водо-водяной реактор). Поглотитель висит сверху и вводится внутрь реактора для управления, либо по срабатыванию аварийной защиты (в этом случае все стержни просто падают вниз).

Чернобыль-то будет?

Ну не Чернобыль. Гореть в реакторе нечему, вода вся испарилась, реакции не идет. Пар под высоким давлением расположен в прочном внутреннем корпусе реактора и постепенно стравливается через клапаны, вынося вместе с собой ряд радиоактивных веществ, способствующих повышению фона. Есть вариант разрыва корпуса от давления, но надо надеяться до этого не дойдет.

Почему реактор не заглушили сразу?

Реактор заглох самостоятельно, как только испарилась вся вода. Не мгновенно, но в течение небольшого времени. Сейчас остро стоит вопрос отвода тепла из реактора: насосы не качают, пар в теплообменники не поступает, активная зона не охлаждается. Это, как можно судить, основная проблема.

Как справедливо замечает olegart, реактор продолжает греться. Хоть реакция и не идет, накопленные в реакторе изотопы греются сами по себе.

Комментарий от физика-реакторщика, сотрудника Курчатовского института: уверен, что заглушен реактор был либо срабатыванием аварийной защиты, либо в штатном режиме. Но в ситуации отсутствия охлаждения и остаточного тепловыделения (греющиеся изотопы) это особой роли не сыграло.