Кіріспе

Электр заряды жоқ бөлшектердің қозғалысын баяулататын зат. Ядролық инженерияда нейтрондық модератор – жылдам нейтрондардың жылдамдығын азайтатын, идеалды жағдайда оларды ұстамай, минималды (термиялық) кинетикалық энергиясы бар жылулық нейтрондар күйінде қалдыратын орта. Бұл жылулық нейтрондар уран-235 немесе басқа бөлінетін изотоптардың атом ядросымен соқтығысу арқылы ядролық тізбекті реакцияны таратуға жылдам нейтрондарға қарағанда әлдеқайда жақын. Су (кейде осы контексте "жеңіл су" деп аталады) – ең көп қолданылатын модератор (әлемдегі реакторлардың шамамен 75%). Қатты графит (20% реактор) және ауыр су (5% реактор) – негізгі баламалар. Бериллий кейбір тәжірибелік түрлерінде де қолданылған, ал көмірсутектер тағы бір мүмкіндік ретінде қарастырылған.

Реактор модераторлары

Термиялық нейтронды реакторда уран сияқты ауыр отын элементінің ядросы баяу қозғалатын бос нейтронды сіңіріп алады, тұрақсыз болады, содан кейін екі кішірек атомға (“бөліну өнімдері”) бөлінеді (“ядролық бөліну”). 235U ядроларының бөліну процесі екі бөліну өнімін, екі-үш жылдам қозғалатын бос нейтронды, сондай-ақ, негізінен бөліну өнімдерінің кинетикалық энергиясында көрінетін энергияны тудырады. Бос нейтрондар әрқайсысы ~2 МэВ кинетикалық энергиямен шығарылады. Уранның бөлінуінен шығатын бос нейтрондардың саны, оқиғаны бастау үшін қажетті термиялық нейтрондардың санын асып түседі, сондықтан реакция бақыланатын жағдайларда өзін-өзі сақтап тұра алады – тізбекті реакция – және орасан зор энергияны босатады (қараңыз, ядролық бөліну мақаласы). Келесі бөліну оқиғаларының ықтималдығы бөліну қимасымен анықталады, ол кіріп келетін нейтрондардың жылдамдығына (энергиясына) байланысты. Термиялық реакторлар үшін МэВ диапазонындағы жоғары энергиялы нейтрондар одан әрі бөлінуді тудыруы аз ғана мүмкін (бірақ одан толығымен қауырсынбайды). Жаңадан шыққан жылдам нейтрондар, шамамен жарық жылдамдығының 10% жылдамдығымен қозғалады, оларды көршілес 235U ядроларында одан әрі бөлінуді тудыру үшін, бірнеше километр секундтық жылдамдыққа дейін баяулату немесе “модерациялау” қажет. Бұл жылдамдық шамамен бірнеше жүз градус Цельсийге тең. Барлық модерацияланған реакторларда, барлық энергия деңгейлеріндегі кейбір нейтрондар, соның ішінде жылдам нейтрондар да бөлінуді тудырады. Кейбір реакторлар басқаларына қарағанда толығырақ термалдалады; мысалы, CANDU реакторында барлық дерлік бөліну реакциялары термиялық нейтрондармен, ал қысымды су реакторында (PWR) бөлінудің маңызды бөлігі жоғары энергиялы нейтрондармен жүзеге асырылады. Сумен салқындатылатын суперкритикалық су реакторында (SCWR) жылдам бөлінудің үлесі 50%-дан асып, оны техникалық тұрғыдан жылдам нейтронды реакторға айналдырады. Жылдам реактор модераторды қолданбайды, бірақ тізбекті реакцияны сақтау үшін модерацияланбаған жылдам нейтрондармен туындаған бөлінуге сенеді. Кейбір жылдам реакторлардың конструкциясында бөлінудің 20%-ға дейін уран-238 жылдам нейтрондық бөлінуінен болуы мүмкін, бұл изотоп термиялық нейтрондармен бөлінбейді. Модераторлар реактор емес нейтрон көздерінде де қолданылады, мысалы, плутоний-бериллийде ((α,n) реакциясын пайдалана отырып) және спалляция көздерінде (нейтрондарға бай ауыр элементтерді нысана ретінде пайдалана отырып (p,xn) реакциялары).

Пішін және орналасу орны

Модератордың пішіні мен орналасуы реактордың құны мен қауіпсіздігіне зор әсер етеді. Классикалық түрде, модераторлар жоғары тазалықтағы графиттен жасалған, жылуды сыртқа шығару үшін арналған құбырлармен жабдықталған дәл өңделген блоктар болды. Олар реактордың ең ыстық бөлігінде орналасқандықтан, коррозия мен абляцияға ұшырау мүмкіндігі жоғары еді. Графит сияқты кейбір материалдарда, нейтрондардың модератормен соқтығысуы қауіпті мөлшерде Вигнер энергиясының жиналуына алып келуі мүмкін. Осы мәселе 1957 жылы Ұлыбританиядағы ядролық реактор кешеніндегі «Виндскейл» өртіне себеп болды. Көмірқышқыл газымен салқындатылатын графит модераторлы реакторда, салқытқыш пен модератор бір-бірімен жанасқан жағдайда, Бодуар реакциясын ескеру қажет. Бұл сондай-ақ отын элементтерінде, кейбір TRISO отындарындағыдай, көміртегінің сыртқы қабаты болғанда немесе ішкі көміртегі қабаты сыртқы қабаттардың бұзылуынан ашық қалғанда да қолданылады. Кейбір тас төсек реакторларының модераторлары ғана емес, сонымен қатар арзан: ядролық отын реакторлық сападағы пиролиттік көміртек шарларына енгізілген, теннис доптарының шамамен мөлшерінде. Доптар арасындағы кеңістіктер құбырлардың орнына қолданылады. Реактор Вигнердің оттегінен тазару температурасынан жоғары температурада жұмыс істейді, осылайша графит қауіпті мөлшерде Вигнер энергиясын жинақтамайды. CANDU және PWR реакторларында модератор сұйық су (CANDU үшін ауыр су, PWR үшін жеңіл су) болып табылады. PWR реакторында салқындатқыш жоғалған жағдайда, модератор да жоғалады және реакция тоқтатылады. Бұл теріс бос орын коэффициенті осы реакторлардың маңызды қауіпсіздік сипаттамасы болып табылады. CANDU реакторында модератор жеке ауыр су контурында орналасқан, қысымды ауыр су салқындатқыш арналарын қоршап тұрады. Ауыр су нейтрондардың көп бөлігін резонанстық интегралға дейін баяулатып, CANDU отынының 99%-дан астамын құрайтын уранның осы изотопында нейтрондарды ұстап алуды арттырады, осылайша бөлінуге қолда бар нейтрондардың санын азайтады. Салдарынан, ауыр судың бір бөлігін алып тастау реакцияны жалғастыру үшін жеткілікті мөлшерде модерация қамтамасыз етілмейінше реактивтілікті арттырады. Бұл конструкция CANDU реакторларына оң бос коэффициент береді, бірақ ауыр сумен реттелетін жүйелердің баяу нейтрон кинетикасы осыны өтеседі, PWR реакторларымен салыстырылатын қауіпсіздік деңгейін қамтамасыз етеді. Жеңіл сумен салқындатылатын графит модераторлы RBMK реакторында, бастапқыда табиғи уранды қолдана отырып, қару-жарақ класындағы плутонийді және пайдалы жылудың көп мөлшерін өндіруге мүмкіндік беру үшін жасалған, ал ауыр суды пайдаланудан бас тартуға болатын реактор түрінде, жеңіл су салқытқышы негізінен нейтрондарды сіңіруші ретінде әрекет етеді, сондықтан салқындатқыш сұйықтығының жоғалтылуы немесе судың буға айналуы бөлінуге қол жетімді термиялық нейтрондардың мөлшерін арттырады. Чернобыль ядролық апатынан кейін бұл мәселе шешілді, сондықтан қазіргі уақытта жұмыс істеп тұрған RBMK типті реакторлардың барлығы аздап теріс бос коэффициентке ие, бірақ олар енді отындағы уранды байыту деңгейін жоғарылатуды қажет етеді.

Модераторлы қоспалар

Жақсы модераторлар борон сияқты нейтрондарды жұтатын қоспалардан таза болады. Коммерциялық атом электр станцияларында модераторда еріген борон кездеседі. Операторлар реактор қуатын реттеу үшін реактор салқындатқышының бор концентрациясын бор қышқылын қосу арқылы немесе сумен сұйылту арқылы өзгерте алады. Нацистік ядролық бағдарлама арзан графит модераторларының жұмыс істемеуі салдарынан ауыр үлкен соққыға ұшырады. Ол кезде көптеген графиттер борон электродына жатқызылған, ал неміс коммерциялық графитінің құрамында боронның мөлшері тым көп болды. Соғыс жылдары неміс бағдарламасы бұл мәселені анықтай алмағандықтан, олар әлдеқайда қымбат ауыр су модераторларын пайдалануға мәжбүр болды. Бұл мәселені белгілі физик Лео Силард ашқан.

Графит емес модераторлар

Кейбір модераторлар өте қымбат, мысалы бериллий және реакторлық ауыр су. Реакторлық ауыр су байытылмаған уранмен реакция жасауға мүмкіндік беру үшін 99,75% таза болуы керек. Бұл дайындау қиын, себебі ауыр су мен қарапайым су бірдей химиялық байланыстарды шамалы ғана жылдамдық айырмашылығымен дерлік бірдей жолмен жасайды. Көптеген нейтрондарды сіңіретін арзан жеңіл су модераторы (негізінен өте таза қарапайым су) байытылмаған табиғи уранмен қолдануға жарамсыз, сондықтан мұндай реакторларды іске қосу үшін уранды байыту немесе ядролық қайта өңдеу қажет, бұл жалпы құнды арттырады. Байыту және қайта өңдеу процестері де қымбат әрі технологиялық тұрғыдан күрделі, сондай-ақ, олардың екеуі де қару-жарақ жасауға қолданылатын материалдарды жасау үшін пайдаланылуы мүмкін, бұл ядролық қару таралуына алаңдаушылық тудырады. Қазіргі уақытта таралуға төзімді қайта өңдеу схемалары жасалып жатыр. CANDU реакторының модераторы қауіпсіздік функциясын да атқарады. Үлкен мөлшердегі төмен температуралы, төмен қысымды ауыр су нейтрондарды баяулатып қана қоймай, салқындатқыш сұйығының жоғалуы кезінде жылуды сіңіретін рөлді де атқарады. Ол жылуды өндіретін отын таяқшаларынан бөлек орналасқан. Ауыр су нейтрондарды баяулатуда (модерациялауда) өте тиімді, соның арқасында CANDU реакторларының ерекше және маңызды қасиеті – жоғары «нейтрон экономикасы» болып табылады. Авария кезінде реакторлық өзекке су қосылғанда, жеңіл су реакторында бұл субкритикалық жиынтықты қайтадан критиктік жағдайға жеткізуге жеткілікті модерацияны қамтамасыз ете алады. Ал ауыр су реакторларында, егер өзекке жеңіл су қосылса, реактивтілік төмендейді, бұл белгілі бір апаттық жағдайларда қосымша қауіпсіздік шарасын қамтамасыз етеді. Дегенмен, авариялық салқындатқыш жеңіл сумен араласқан ауыр су, изотоптарды бөлусіз пайдалану үшін тым сұйытылып қалады.

Ядролық қаруды жобалау

Ядролық қару туралы алғашқы болжамдар, "атом бомбасының" ядролық реакторға немесе "тобырға" ұқсас құрылымдағы, нейтрондық модератормен баяулатылатын, ыдырайтын материалдың үлкен көлемі болатынын көздеген. Тек Манхэттен жобасы таза металл уран немесе плутонийдегі жылдам нейтрондардың тізбекті реакциясын қабылдады. Америкалықтар басқа да модерацияланған жобаларды қарастырды; ұсыныстарға уран деутериді ыдырайтын материал ретінде пайдалану кірді. 1943 жылы Роберт Оппенгеймер мен Нильс Бор "тобырды" қару ретінде пайдалану мүмкіндігін қарастырды. Бұл себебі графит модераторымен изотоптарды бөлуді қажет етпей-ақ тізбекті реакцияны жүзеге асыруға болар еді. Дегенмен, плутонийді бомбада қолдануға жеткілікті изотоптық тазалықта ("өсіру") өндіруге болады, содан кейін оны химиялық жолмен "тек" бөлу керек, бұл изотоптарды бөлуге қарағанда әлдеқайда оңай процесс, бірақ бәрібір қиын. 1945 жылдың тамызында Хиросимаға атом бомбасы тасталғандығы туралы ақпарат Англиядағы Ферм-Холлда қамаудағы неміс ядролық бағдарламасының ғалымдарына жеткенде, бас ғалым Вернер Гейзенберг бұл құрылғының "ядролық реактор сияқты болуы керек, онда нейтрондар модератормен көптеген соқтығысулар арқылы баяулайды" деген гипотезаны айтты. Германияның бағдарламасы, бұдан әлдеқайда кем дамыған, тіпті плутоний нұсқасын қарастырмады және ураннан ірі көлемде изотоптарды бөлудің тиімді әдісін ашпады. Манхэттен жобасының сәттілігінен кейін, барлық ірі ядролық қару бағдарламалары қару дизайнында жылдам нейтрондарға сүйенді. Соған қарамастан, "Жоғарға қарай" операциясының Рэт және Рэй сынақ жарылыстары ерекше жағдайды құрайды. Калифорния университетінің радиациялық зертханасының мақсаты термоядролық отын ретінде уранды қамтитын деутерленген полиэтилен зарядын зерттеу болды, деутер жеткілікті қысылса (белсенді ортаға айналады) бірігуіне үміттенеді. Сәтті болған жағдайда, бұл құрылғылар ыдырайтын материалдың минималды мөлшерін қамтитын және RAMROD-ты тұтандыруға жеткілікті қуатты компактты бастапқы құрылғыға да әкелуі мүмкін. Сынақтардың ядролары уран деутериді (UD3) қоспасынан тұрды, ал Рэй үшін 0,5 кт құрады. Сынақтардың нәтижесінде әрқайсысы 200 тонна тротилге тең қуат бөлінді; екі сынақ та тиімсіз деп танылды. Термиялық нейтрондармен жұмыс істейтін ядролық бомбаның практикалық болуы күмәнді, бірақ қазіргі заманғы қару дизайны белгілі бір деңгейде модерациядан пайда көруі мүмкін. Нейтронды рефлектор ретінде қолданылатын бериллий де модератор ретінде әрекет етеді.