Гетерогенные реакторы. В однородной (гомогенной) смеси природного урана с замедлителем не всегда можно осуществить цепной процесс.
Нейтроны теряют свою скорость в замедлителе постепенно и обычно в результате большого числа столкновений становятся тепловыми. Когда слабо замедлившийся нейтрон встретит на своем пути ядро урана238, то произойдет его поглощение.
Как же уменьшить захват нейтронов ядрами урана238?
Если применять в качестве замедлителя графит, то никаким увеличением количества урана и размеров реактора не удастся довести коэффициент размножения до единицы. Следовательно, надо удалить ядра урана238 из зоны, где происходит замедление нейтронов. Поэтому ядерные реакторы, использующие природный уран и графит, изготовляются в виде гетерогенной (неоднородной) смеси урана и замедлителя. В этих реакторах обычно уран в виде стержней (блоков) чередуется с чистым графитом (рис. 16).
Рис. 16. Схема гетерогенного ядерного реактора
Диаметр урановых стержней должен быть рассчитан так, чтобы нейтроны, получающиеся при делении, не испытывали много столкновений в уране. В противном случае уран238 может опять поглотить большое число нейтронов. Обычно урановые стержни имеют диаметр не больше трех — четырех сантиметров.
Предположим, что в одном из урановых блоков произошло деление ядра урана235. При этом выделились три нейтрона. У этих нейтронов может быть различная судьба.
Один из нейтронов может испытать большое число столкновений с ядрами замедлителя и, теряя в каждом столкновении часть своей скорости, придет в другой урановый блок с очень малой тепловой скоростью. Такой нейтрон при столкновении с ядром урана238 имеет очень небольшие шансы им поглотиться: он просто отскочит от этого ядра, как резиновый мячик от тяжелой стены. Ведь ядро урана в 238 раз тяжелее нейтрона. Тепловой нейтрон после ряда столкновений с ядрами тяжелого изотопа в конце концов в том или другом урановом стержне встретится с ядром урана235 и произведет его деление. При этом выделятся опять два или три новых нейтрона.
Другой нейтрон испытает меньшее число столкновений с ядрами замедлителя и придет в другой урановый блок с какой-то средней скоростью. Такие нейтроны очень жадно поглощаются ядрами урана238. Новых нейтронов при этом возникать не будет.
Наконец, третий нейтрон может совсем выйти за пределы уранового котла, не задев ни одного уранового блока.
Как уже указывалось, цепной процесс может протекать, если хотя бы один из нейтронов деления произведет еще