Ядерный реактор-размножитель

[sergey zhukov]

Много раз слышал, что ядерные реакторы на тепловых (медленных) нейтронах - это плохо. А на быстрых нейтронах - это хорошо. В книжке Пономарева "Под знаком кванта" приводится сравнение с сухими и сырыми дровами. Правильно ли я понимаю, почему это так.

Если у нас есть смесь большого количества сырых дров с малым количеством сухих, то гореть она не будет. Если мы выберем оттуда все сухие дрова и будем жечь их отдельно, то они, конечно, сгорят, но у нас останется большая масса бесполезных сырых дров, которые уже никак не сжечь. Лучший вариант - выбрать сухие дрова, поджечь их и окружить сырыми, чтобы они сохли. Так можно "размножать" сухие дрова и сжечь таким способом постепенно всю кучу.

В ядерном реакторе в качестве сырых дров выступает U238, а в качестве сухих - U235. "Сушка" - это превращение U238 в Pu239 под действием нейтронов. Отделить U235 от U238 очень трудно. Однако если нейтроны специально замедлять при помощи графита (реактор на тепловых, медленных нейтронах), то эту трудность можно обойти и фактически приблизится к первому варианту: "выжечь" все сухие дрова и почти не тронуть сырые. Но если постараться, отделить сухое от сырого и "жечь сухое, а сырое - сушить" (в этом случае нейтроны можно не замедлять, получается реактор на быстрых нейтронах) , то можно сжечь все, включая и U238. Причем "выбрать сухое" нужно только в начале процесса, а дальше этот конвеер работает непрерывно без необходимости обогащения.

Как я понял, в реакторе на быстрых нейтронах плотность нейтронного поля должна быть гораздо выше, чем в реакторе на тепловых нейтронах, т.е. существует большой поток нейтронов из активной зоны наружу. Этим потоком и "сушится" установленный снаружи U238. Пределом же этой идеи становится реактор на бегущей волне.

[DimaM]

sergey zhukov в сообщении #1624650 писал(а):

Однако если нейтроны специально замедлять при помощи графита (реактор на тепловых, медленных нейтронах), то эту трудность можно обойти и фактически приблизится к первому варианту: "выжечь" все сухие дрова и почти не тронуть сырые.

С графитом все же нужно обогащать, процентов хотя бы до двух-трех. Лучший замедлитель - тяжелая вода - позволяет запустить цепную реакцию на природном уране.
В прошлом, когда содержание U-235 было выше, то же можно было сделать с обычной водой (см. Окло).

sergey zhukov в сообщении #1624650 писал(а):

Как я понял, в реакторе на быстрых нейтронах плотность нейтронного поля должна быть гораздо выше, чем в реакторе на тепловых нейтронах, т.е. существует большой поток нейтронов из активной зоны наружу. Этим потоком и "сушится" установленный снаружи U238.

Насколько я понимаю, основная причина не в большем потоке, а в большем коэффициенте размножения. Например, устраняется захват нейтронов замедлителем. Возможно, при делении быстрыми нейтронами среднее число вторичных нейтронов выше (это чисто моя спекуляция, цифр я не знаю). Соответственно, число нейтронов, доступных для конверсии U-238, больше, и возможен коэффициент воспроизводства выше единицы. Кроме того, U-238 делится нейтронами с энергией выше примерно 1 МэВ, хотя и сечение маленькое.

[sergey zhukov]

А можно ли рассматривать закрытый уран-плутониевый цикл, как такой способ сжигания U238 (при помощи быстрых нейтронов), при котором Pu239 является по сути нерасходуемым катализатором этого горения? При этом U235 вообще не обязателен. Т.е. он облегчает процесс, но и без него вполне можно обойтись.

В одной книжке я читал, что если избирательно выбрать из урановой руды и сжечь весь U235, то U238 становится просто бесполезным. Похоже, это (избирательное сжигание U235) не так уж и страшно? Всегда же можно жечь U238 при помощи Pu239, причем последний при правильном процессе сжигания не то что не тратится, но даже и размножается.

Скажем, если бы на планете не было ничего, кроме U238, то главной трудностью было бы начать процесс его сжигания, т.е. как-то получить первую порцию плутония (используя какие-то сторонние источники нейтронов). А потом плутоний начал бы размножать сам себя в урановых реакторах.

[DimaM]

sergey zhukov в сообщении #1624934 писал(а):

А можно ли рассматривать закрытый уран-плутониевый цикл, как такой способ сжигания U238 (при помощи быстрых нейтронов), при котором Pu239 является по сути нерасходуемым катализатором этого горения? При этом U235 вообще не обязателен. Т.е. он облегчает процесс, но и без него вполне можно обойтись.

Можно, у вышеупомянутого Л.П. Феоктистова куча работ по этой тематике.