Получение тепловой энергии в атомных установках.

Запасы органического топлива на земле ограничены, поэтому исключительно важным явилось открытие возможности получения тепловой энергии в результате цепной реакции деления ядер урана и некоторых других элементов. При полном использовании 1 кг урана получают столько тепловой энергии, сколько ее выделяется при сгорании 1400 т мазута.
Получение тепловой энергии за счет деления ядер расщепляющихся элементов происходит в ядерных реакторах. В современных реакторах в качестве ядерного топлива используется искусственно обогащенный уран, в котором содержится 3—5 % изотопа U235.
В реакторах осуществляется процесс деления ядер урана U235 под воздействием нейтронов, в результате ядро расщепляется на два одноименно заряженных осколка, примерно одинаковых по массе и величине заряда. Разлетаясь в разные стороны с большой скоростью, они сталкиваются с атомами среды и их кинетическая энергия превращается в теплоту. При каждом случае деления ядер урана на один поглощенный нейтрон вылетает в среднем 2,5 нейтрона, которые при определенных условиях сами вызывают деление других ядер урана U235. В этом и заключается сущность цепной реакции ядерного топлива. Та часть реактора, где находятся расщепляющиеся элементы и совершается цепная реакция называется активной зоной.
Для энергетических целей применяют реакторы на тепловых нейтронах, в которых скорость нейтронов замедлена до величины скорости их теплового движения за счет введения в активную зону особого вещества — замедлителя нейтронов. В качестве замедлителей может применяться вода Н20, тяжелая вода D20, бериллий и графит. Наиболее часто в судовых реакторах применяют воду; одновременно ее используют в качестве теплоносителя.
Ядерные реакторы делятся на гомогенные и гетерогенные. В гомогенных реакторах ядерное топливо и замедлитель представляют собой однородную смесь, а в гетерогенных — ядерное топливо в виде стержней или пластин расположено в замедлителе. В судовых ядерных установках применяются только гетерогенные реакторы.
Активную зону реакторов окружают отражателями, уменьшающими потери нейтронов и способствующими выравниванию их потока в активной зоне. В качестве отражателя в судовых реакторах используется обычная вода.
Отвод тепла из активной зоны производится с помощью теплоносителей, которыми могут быть вода, органические жидкости, жидкие металлы (калий, натрий, висмут и др.), газы (гелий, азот, углекислый газ). В современных судовых реакторах в качестве теплоносителя используется только вода.
При установившемся режиме работы реактора его активная зона находится в критическом состоянии, т. е. в единицу времени выделяется постоянное количество теплоты. Для того чтобы регулировать тепловыделение в реакторе, необходимо изменять скорость цепной реакции. Для этого служит система регулирования, основу которой составляют стержни, содержащие вещества, сильно поглощающие нейтроны (карбид бора, кадмий). Положение стержней в реакторе регулируется автоматически. Для увеличения тепловыделения их выдвигают из реактора, а для уменьшения — вдвигают в него. Система регулирования или особая система защиты должна мгновенно прекращать цепную реакцию при возникновении аварийной обстановки.
В процесс работы реактора ядерное топливо расходуется (выгорает), поэтому через определенное время требуется замена тепловыделяющих элементов (стержней или пластин). Период между такими заменами называется кампанией реактора.
При работе реактора около 80 % получаемой энергии превращается в теплоту, а остальные 20 % выделяются в виде излучения, альфа- и бетта-излучения большой опасности не представляют, так как обладают незначительной проникающей способностью, у- и нейтронное излучение обладают большой проникающей способностью и вызывают вторичное излучение во многих материалах. Такое излучение вызывает в организме человека тяжелые болезненные явления. Поэтому судовые ядерные установки должны иметь так называемую биологическую защиту, для которой используются металлы и вода.