Ядерные реакторы.

ВВЕДЕНИЕ. ⇢
ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ. ⇢
Рис. 1. Схема строения наиболее простых атомов.
Рис. 2. Схема строения самых простых ядер.
Рис. 3. Схема строения изотопов водорода.
Рис. 4. Ион молекулы водорода. Два протона обмениваются одним электроном.
Рис. 5. Кривая зависимости энергии связи от массового числа ядер. Наиболее сильно связанными, то есть самыми устойчивыми, являются ядра, имеющие среднее массовое число.
Рис. 6. Схема опытов Резерфорда. Достигнуть экрана и произвести сцинтилляцию могут только протоны, выбитые альфа-частицей из ядра азота.
Азот14+гелий4→кислород17+водород1[5].
Литий7+водород1→бериллий8→гелий4+гелий4.
Рис. 7. Схема ядерной реакции…
Водород1+литий7→бериллий8→гелий4+гелий4.
Азот14+нейтрон1→азот15→бор11+гелий4.
Азот14+нейтрон1→азот15→азот13+2 нейтрона1.
Азот14+нейтрон1→азот15→углерод14+водород1.
Углерод14 →азот14+электрон.
Водород1+нейтрон1→дейтерий2+гамма-квант.
Литий6+нейтрон1 →гелий4+тритий3.
Тритий3→гелий3+электрон.
Ртуть198+нейтрон1→золото198+водород1.
Золото198→ртуть198+электрон.
Литий7+ водород1→бериллий8+гамма-квант.
Азот13→углерод13+позитрон,
Нейтрон↔протон+электрон+нейтрино,
Протон↔нейтрон+позитрон+нейтрино.
Рис. 8. Радиоактивный распад ядра урана238. Ядро урана238, претерпевая ряд радиоактивных превращений, переходит в устойчивое ядро свинца206.
ГЛАВА 2. ЯДЕРНЫЙ ЦЕПНОЙ ПРОЦЕСС. ⇢
Рис. 9. Колебательное движение тяжелого ядра перед делением. Размах колебания может быть настолько сильным, что в средней части ядра образуется перетяжка и оно разорвется на два ядра меньшей массы.
Рис. 10. Деление ядра урана. Из одного ядра урана получаются два радиоактивных ядра более легких элементов.
Рис. 11. Цепной процесс в уране. Процесс развивается лавинообразно.
Рис. 12. Схема диффузионной ячейки для разделения изотопов урана. В отверстия А поступает шестифтористый уран. Через В откачивают продиффундированный газ с увеличенным содержанием легкого изотопа. Из Д выходит газ, содержащий тяжелый изотоп урана.
Рис. 13. Критический вес урана. В малом куске урана (А) цепной процесс не идет: нейтроны деления выходят наружу. В большом куске (Б) нейтроны деления производят новые деления: цепной процесс поддерживается. Выход нейтронов можно уменьшить, окружив малый кусок урана слоем отражателя (В).
Рис. 14. Условие существования цепного процесса. Один нейтрон деления должен совершить еще одно деление.
N1=N0K; N2=N0K2; N3=N0K3…
Рис. 15. Схема простейшего ядерного реактора. При определенном положении регулирующего стержня коэффициент размножения становится больше единицы. Цепной процесс развивается.
ГЛАВА 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ. ⇢
Рис. 16. Схема гетерогенного ядерного реактора.
K= 1,03∙0,9∙1,33=1,22.
Рис. 17. Схема гомогенного ядерного реактора на тяжелой воде. В растворе урана в тяжелой воде идет цепной процесс. Вода нагревается и дает пар высокого давления.
Уран238+нейтрон1→уран239.
Уран239→нептуний239+электрон+нейтрино.
Нептуний239→плутоний239+электрон+нейтрино.
Рис. 18. Образование плутония239.
Рис. 19. Образование урана233.
Бериллий9+гелий4→углерод12+нейтрон1.
Уран235+нейтрон1→уран236+гамма-квант.
Рис. 20. Схема размножающего реактора на быстрых нейтронах. Цепной процесс идет в центральной части реактора. Во внешних блоках происходит образование искусственного ядерного горючего — плутония239 или урана233.
Рис. 21. Колебание мощности ядерного реактора в пусковой период.
Рис. 22. Схема автоматического управления ядерным реактором. Регулирующий стержень совершает колебания вблизи положения, при котором коэффициент размножения нейтронов равен единице; соответственно этому колеблется и мощность ядерного реактора.
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ. ⇢
N0, N0K, N0K2, N0K3…
Рис. 23. Сборка активной зоны первого советского реактора.
Рис. 24. Схема первого советского реактора.
Рис. 25. Разрез здания для размещения первого советского реактора.
Рис. 26. Верхняя часть реактора РФТ.
Рис. 27. Схема реактора РФТ.
Рис. 28. Рабочие каналы реактора РФТ.
Рис. 29. Схематический поперечный разрез РФТ…
1 — стержни автоматического регулирования; 2 — ручные поглощающие стержни: 3 — автоматические регулирующие стержни; 4 — стержни аварийной защиты; I, II, III, IV, V — квадратные каналы, предназначенные для физических исследований.
Рис. 30. Реактор на тяжелой воде Академии наук СССР.
Рис. 31. Верхняя часть реактора на тяжелой воде.
Рис. 32. Реактор на простой воде Академии наук СССР…
1 — алюминиевый бак с простой водой; 2 — активная зона реактора.
Рис. 33. Свечение активной зоны в реакторе. (Снято сверху через толстый слой воды).
Рис. 34. Схема кипящего гомогенного реактора академика Алиханова…
1 — реактор; 2 — подъемная труба; 3 — разделитель; 4 — устройство для очистки газа; 5 — инжектор; 6 — камера сжигания; 7 — опускная труба; 8 — теплообменник; 9 — гидравлический затвор; 10 — пусковой котел.
Рис. 35. Схема размножающего гомогенного реактора академика Алиханова…
1 — реактор; 2 — подъемная труба; 3 — разделитель; 4 — устройство для очистки газа; 5 — инжектор; 6 — камера сжигания; 7 — опускная труба; 8 — теплообменник; 9 — гидравлический затвор; 10 — пусковой котел; 11 — отражатель с торием232; 12 — отделитель; 13 — устройство для очистки газа; 14 — распределительный резервуар.
Рис. 36. Пластинка урана до и после облучения в ядерном реакторе.
Рис. 37. Изменение микроструктуры облученного урана…
слева — до облучения; справа — после облучения.
Рис. 38. Разрез американского реактора CP-1.
Рис. 39. Реактор типа «погруженный в воду».
Рис. 40. Реактор STR.
Рис. 41. Схема реактора НУРО…
1 — сфера из нержавеющей стали; 2 — отражатель из окиси бериллия; 3 — графитовый отражатель; 4 — охлаждающий змеевик; 5 — слой свинца 100 миллиметров; 6 — бетон 1,5 метра; 7 — регулирующие стержни.
Рис. 42. Экспериментальный размножающий реактор EBR.
Рис. 43. Английский реактор BEPO.
Рис. 44. Английский реактор типа «Дидо»…
1 — алюминиевый бак для тяжелой воды; 2 — уровень тяжелой воды; 3 — тепловыделяющий элемент; 4 — биологическая защита; 5 — графитовый отражатель; 6 — стальной сосуд реактора.
Рис. 45. Французский реактор Сирано…
1 — установка для рекомбинации тяжелой воды; 2 — съемные бетонные плиты; 3 — центральная труба; 4 — металлическая конструкция, поддерживающая бак; 5 — бак с тяжелой водой; 6 — стержни с топливом в охлаждающем канале; 7 — каналы для облучаемых образцов; 8 — вентиляционный трубопровод; 9 — графитовый отражатель; 10 — промежуточная защита; 11 — тепловая колонна для выпуска тепловых нейтронов; 12 — защита из металлических плит; 13 — предохранительный клапан; 14 — чугунная защита; 15 — блок, 16 — трубчатый блок для подвески топливных элементов; 17 — бетонная защита.
ГЛАВА 5. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. ⇢
Рис. 46. Схема использования природного ядерного горючего в энергетической установке.
Рис. 47. Разрез участка рабочей части урано-графитового реактора. В зазоре между стенкой трубы и алюминиевой оболочкой уранового блока протекает вода, отбирающая тепло от ядерного реактора.
Рис. 48. Отвод тепла от ядерного реактора с помощью расплавленного металла. Урановые блоки омываются расплавленными металлами, которые отбирают энергию от реактора и передают ее вторичному теплоносителю (воде) в теплообменнике.
Рис. 49. Ядерный реактор Жолио-Кюри.
Рис. 50. Схема работы ядерного реактора типа «водяной котел». Это по существу паровой котел, непосредственно использующий атомную энергию.
Рис. 51. Схема гомогенного ядерного реактора с жидким ядерным горючим. Жидкая горючая смесь циркулирует между реактором и теплообменником (паровым котлом). Цепной процесс идет только в шаровой камере, где горючая смесь разогревается до высокой температуры. В таком реакторе чрезвычайно облегчается непрерывная замена части ядерного горючего.
Рис. 52. Схема гетерогенного ядерного реактора на жидком ядерном горючем. Ядерное горючее в расплавленном виде проходит через каналы твердого замедлителя (графит). Здесь создаются условия для возникновения цепного процесса, и горючая смесь разогревается до высокой температуры.
Рис. 53. Схема использования тепла ядерного реактора для отопления зданий…
1 — воздушный фильтр; 2 — холодный воздух; 3 — реактор; 4 — горячий воздух; 5 — заслонки первого теплообменника; 6 — первый теплообменник; 7 — насосы; 8 — вентиль; 9 — второй теплообменник; 10 — схема отопления здания; 11 — радиаторы.
Рис. 54. Принципиальная схема атомной электростанции, работающей на природном уране.
Рис. 55. Схема использования размножающих (бридерных) реакторов для получения электрической энергии.
Рис. 56. Использование газовой турбины в атомной электростанции. Воздух нагнетается компрессором в реактор, где нагревается до высокой температуры. Горячие газы имеют большое давление и приводят в движение газовую турбину, находящуюся на одном валу с компрессором и электрическим генератором.
Рис. 57. Ядерный реактор советской атомной электростанции;
1 — графитовая кладка реактора; 2 — нижняя опорная плита; 3 — верхняя плита; 4 — рабочий канал; 5 — аварийная защита; 6 — автоматическое регулирование, 7 — ионизационная камера, 8 — боковая защита (вода); 9 — распределение охлаждающей воды, поступающей в рабочие каналы; 10 — отвод воды от рабочих каналов; 11 — верхняя защита (чугун).
Рис. 58. Верхняя часть реактора электростанции. Видна чугунная плита, закрывающая реактор.
Рис. 59. Верхняя часть реактора без наружной плиты. Видны стержни аварийной защиты с мотором, рабочие каналы и трубы с охлаждающей водой.
Рис. 60. Принципиальная схема советской атомной электростанции…
1 — ядерный реактор; 2 — трубопровод с охлаждающей водой; 3 — питающие насосы первичной воды; 4 — теплообменники; 5 — трубопровод с паром при давлении 12,5 атмосферы; 6 — паровая турбина; 7 — конденсатор; 8 — трубопровод с вторичной водой; 9 — насос вторичной воды; 10 — компенсаторы объема первичного контура; 11 — баллоны со сжатым воздухом; 12 — вспомогательный насос для замены дистиллированной воды первичного контура; 13 — бак с запасной водой; 14 — фильтр; 15 — пусковой конденсатор.
Рис. 61. Главное здание советской атомной электростанции.
Рис. 62. Разрез главного здания атомной электростанции…
1 — ядерный реактор; 2 — насосы первичного контура; 3 — теплообменники; 4 — компенсаторы объема первичного контура; 5 — подъемный кран: 6 — электродвигатель насосов первичного контура; 7 — пульт управления атомной электростанцией; 8 — щит, регистрирующий радиоактивность в помещениях.
Рис. 63. Пульт управления первой советской атомной электростанции.
Рис. 64. Сравнительная диаграмма работы атомной и тепловой электростанций.
Рис. 65. Схема использования атомного двигателя на морском судне.
Рис. 66. Схема атомной подводной лодки.
Рис. 67. Атомный теплоэлектровоз.
Рис. 68. Схема обычного реактивного двигателя. Воздух попадает в камеру сгорания, где происходит сжигание топлива, и раскаленные газы направляются в выхлопное сопло. Реактивный снаряд движется за счет отдачи, происходящей при выхлопе газов.
Рис. 69. Схема прямоточного реактивного двигателя на атомном горючем. Здесь камера сгорания заменена ядерным реактором. Воздух попадает в трубы ядерного реактора, где нагревается до высокой температуры. Горячие газы попадают в выхлопное сопло.
Рис. 70. Схема атомного турбореактивного двигателя.
Рис. 71. Атомный турбовинтовой двигатель.
Рис. 72. Модель советского ледокола с атомным двигателем.
Рис. 73. Схема реактора английской атомной электростанции.
Рис. 74. Общий вид английской атомной электростанции.
Рис. 75. Реактор на быстрых нейтронах английской станции в Даунри.
Рис. 76. Строительство сферы для второй английской атомной электростанции.
Рис. 77. Французский энергетический реактор G-1…
1 — фильтр; 2 — графит; 3 — уран; 4 — защита.
Рис. 78. Схема реактора NPD канадской атомной электростанции: 1 — мостовой кран; 2 — каналы для горючего; 3 — манипулятор; 4 — парогенератор; 5 — насос для тяжелой воды; 6 — реактор; 7 — бетонная защита.
Рис. 79. Схема реактора EBR…
1 — активная зона из делящегося материала; 2 — зона воспроизводства; 3 — электромагнитные насосы.
Рис. 80. Расположение аппаратуры реактора EBR.
Рис. 81. Схема реактора EBR-II…
1 — первичный теплообменник; 2 — нейтронная защита; 3 — активная зона; 4 — герметический бак с натрием; 5 — зона воспроизводства; 6 — регулирующий стержень; 7 — защита от гамма-излучения; 8 — объединенный униполярный генератор и электромагнитный насос.
Рис. 82. Схема реактора LMFR.
Рис. 83а. Американская подводная лодка «Наутилус».
Рис. 83б. Разрез «Наутилуса»…
1 — кубрики для команды; 2 — машинное отделение; 3 — реактор; 4 — боевая рубка; 5 — рубка управления; 6 — столовая для команды; 7 — аккумуляторная; 6 — кладовые; 9 — мостик; 10 — перископная; 11 — каюта командира; 12 — офицерская кают-компания; 13 — камбуз; 14 — кубрики для команды; 15 — торпедный отсек.
Рис. 84. Схема атомного двигателя для морских судов…
1 — предварительное охлаждение газа; 2 — промежуточное охлаждение газа; 3 — компрессор низкого давления; 4 — компрессор высокого давления; 5 — вторичный теплообменник; 6 — к первичному теплообменнику; 7 — гелиевый контур газовой турбины с замкнутым циклом; 8 — турбина компрессора; 9 — турбина низкого давления; 10 — нагрузка; 11 — теплообменник для возврата тепла в первичный контур; 12 — первичный натриевый контур.
ГЛАВА 6. ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ. ⇢
Азот14+нейтрон1→углерод14+протон1,
Фосфор31+нейтрон1→фосфор32+гамма-квант.
Рис. 85. Аппарат ГУП-Со-50 для просвечивания толстых металлических изделий. Маленькая ампула радиоактивного кобальта заменяет мощную рентгеновскую установку.
Рис. 86. Определение уровня жидкости в баке с помощью радиоактивного излучения. Поднявшаяся жидкость поглощает гамма-лучи, испускаемые кобальтом60. Изменение интенсивности излучения регистрируется счетчиком.
Рис. 87. Контроль плотности пульпы в земснаряде.
Рис. 88. Схема измерения толщины пленки радиоактивным препаратом.
Рис. 89. Клубни картофеля, пролежавшие полтора года в овощехранилище.
Рис. 90. Облучение больного телерадиевой установкой.
Рис. 91. Контактная разность потенциалов на границе двух соприкасающихся веществ. Разность потенциалов существует только при разомкнутой цепи (А). Если мы соединим эти два тела через какое-либо сопротивление (Б), электроны из одного тела перейдут в другое и разность потенциалов исчезнет.
Рис. 92. Получение электрического тока с помощью радиоактивного стронция. Электроны, вылетающие при распаде стронция90, размножаются в кремнии и будут поддерживать разность потенциалов на границе двух сред.
Азот14+нейтрон1→углерод14+водород1.
ГЛАВА 7. О ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЯХ. ⇢
Рис. 93. Возможная схема термоядерного реактора — искусственного солнца.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ⇢
ПРИЛОЖЕНИЯ. ⇢
ПРИЛОЖЕНИЕ I. ⇢
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА.
ПРИЛОЖЕНИЕ II. ⇢
ПЕРЕВОДНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ.
ПРИЛОЖЕНИЕ III. ⇢
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ДЛЯ БОЛЕЕ ГЛУБОКОГО ИЗУЧЕНИЯ ВОПРОСОВ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ.
ОГЛАВЛЕНИЕ. ⇢
Информация об издании. ⇢
Доктор физико-математических наук Ефим Михайлович Балабанов.
Ядерные реакторы.
Военное Издательство Министерства обороны Союза ССР.
Москва, 104, Тверской бульвар, 18.
1-я типография имени С. К. Тимошенко.
Управления Военного Издательства Министерства обороны Союза ССР.
Москва, К-6, проезд Скворцова-Степанова, дом 3.
Примечания. ⇢

Ефим Михайлович Балабанов.