Как управлять ядерным реактором. Реактивность.⁠⁠

Ядерная реакция, конечно, хорошая штука, но ей надо как-то управлять. На затравочку - фото двух энергоблоков РБМК-1500 Игналинской АЭС. Сила, мощь!

   Задача управления реакцией не так сложна, как кажется на первый взгляд, но всё же есть тут свои проблемы и подводные камни.  Воздействовать мы должны на количество делений ядер топлива нейтронами, происходящее за единицу времени. Грубо говоря, на количество нейтронов, разрывающих ядра топлива на клочки, за время в одну секунду.

   Если количество делений в реакторе увеличивается, это означает, что реактор надкритичен - коэффициент размножения нейтронов больше единицы. Соответственно, когда мощность уменьшается - реактор подкритичен, а если не изменяется - то критичен.
Так как отклонение коэффициента размножения от единицы обычно невелико, то используется более простая величина - реактивность.

   Реактивность показывает нам, насколько коэффициент размножения отклонился от единицы. Если она больше ноля - то реактор надкритичен и разгоняется. Если меньше - то подкритичен и останавливается, если реактивность нулевая - то нейтронная мощность реактора стабильна.
   Реактивность - безразмерная величина, и измеряется она в долях/процентах, а так же в бетах/долларах/центах/обратных часах. О бетах и прочих непонятных величинах, кстати, расскажу в следующий раз, когда буду объяснять о запаздывающих нейтронах, это тема для отдельного поста.

   Собственно, когда мы садимся за пульт остановленного ядерного реактора, то обычно он глубоко подкритичен (реактивность остановленного реактора по российским Правилам Ядерной Безопасности должна быть не более минус одного процента). Чтобы заставить потухнувшую реакцию снова разгореться, мы должны постепенно, очень осторожно и медленно вынимать из реактора (например, РБМК) стержни. Про стержни, кстати, я писал вот тут.

   Медленно и аккуратно вынимая стержни, мы смотрим на приборы, которые показывают нам текущее количество нейтронов в активной зоне реактора. В тот момент, когда эта величина начнет расти с постоянной скоростью, мы можем вытереть пот со лба и с полной уверенностью заявить, что вышли в критическое состояние и даже более того - реактивность нашего реактора положительна. 

   Дальше необходимо прекратить движение стержней управления и просто ждать. Постепенно количество нейтронов, а значит, и количество делений в активной зоне будет увеличиваться. Мощность реактора, которая сначала измерялась в милливаттах, постепенно достигнет ватта, затем киловатта, мегаватта... Это уже энергетические уровни мощности, на которых теплоноситель активно греется (а в РБМК даже подкипает), в дело вступают различные эффекты реактивности...

   Однако даже на такой мощности смысл процесса остается тем же.  Вынули стержень - добавили реактивности - реактор начал набирать мощность. Как только мощность набрана, стержни мы опустили обратно - реактивность снова равна нулю и мощность стабильна.

   Для простоты опустил много нюансов, такие как запаздывающие нейтроны, доля их в реакции деления, влияние эффектов реактивности (по температуре топлива, теплоносителя, да тысячи их) на саму реактивность и т.д. В один пост это всё не влезет точно, а вот зато общее понимание у вас, надеюсь, уже есть. А физики за подобные упрощения меня, надеюсь, простят.
   На посошок поделюсь фотографией центрального зала и пятака реактора АДЭ - находится этот аппарат под землей (даже вернее под горой!), и до 2010 года вырабатывал электричество, тепло и оружейный плутоний на благо общества в городе Железногорске.