Типы ядерных реакторов

Классификация ядерных реакторов по различным признакам

Современные ядерные реакторы представляют собой сложные физико-технические устройства, предназначенные для осуществления управляемой цепной реакции деления ядер. Они классифицируются по множеству признаков, отражающих особенности конструкции, используемого топлива, теплоносителя, замедлителя, области применения, энергетических характеристик и других параметров.

Одним из важнейших критериев классификации ядерных реакторов является энергетический спектр нейтронов, поддерживающих цепную реакцию.

Тепловые реакторы

В этих реакторах цепная реакция осуществляется за счёт тепловых (медленных) нейтронов с энергией порядка 0,025 эВ. Для замедления быстрых нейтронов, образующихся при делении, используется замедлитель — вещество с низким атомным номером (например, тяжёлая вода, лёгкая вода, графит). Основные типы тепловых реакторов:

Водо-водяные реакторы (PWR, ВВЭР) — используют обычную воду в качестве замедлителя и теплоносителя;
Кипящие водяные реакторы (BWR) — также используют воду, но парообразование происходит непосредственно в активной зоне;
Графитно-водяные реакторы (РБМК) — графит служит замедлителем, а вода — теплоносителем;
Тяжеловодные реакторы (CANDU) — замедлитель и теплоноситель — тяжёлая вода (D₂O), что позволяет использовать природный уран.

Быстрые реакторы

В быстрых реакторах цепная реакция поддерживается быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ. Такие реакторы не содержат замедлителя и используют плотные материалы (жидкие металлы) в качестве теплоносителя. Примеры:

Быстрые натриевые реакторы (БН-600, БН-800);
Быстрые реакторы на свинцово-висмутовом теплоносителе;
Реакторы-бридеры, способные производить топливо из урана-238 или тория-232.

По типу ядерного топлива

Форма, состав и обогащённость топлива — ещё один существенный критерий.

Урано-диоксидные твэлы (UO₂) — наиболее распространены в тепловых реакторах;
Металлическое топливо (U, Pu) — характерно для быстрых реакторов;
MOX-топливо (Mixed Oxide) — смесь оксидов урана и плутония;
Торийное топливо (ThO₂) — перспективный вид топлива для замкнутого топливного цикла;
Жидкое топливо — используется в реакторах на расплавах солей (MSR).

Обогащённость топлива варьируется: от природного урана (0,7% ²³⁵U) до высокообогащённого (>20%) в исследовательских и военных установках.

По типу замедлителя

Замедлитель влияет на спектр нейтронов и, следовательно, на реакцию деления.

Лёгкая вода (H₂O) — дешёвая и эффективная, но требует обогащённого топлива;
Тяжёлая вода (D₂O) — позволяет использовать природный уран;
Графит — используется в реакторах с большой активной зоной;
Отсутствие замедлителя — характерно для быстрых реакторов.

По типу теплоносителя

Теплоноситель играет ключевую роль в отводе тепла от активной зоны и передаче его на турбогенератор.

Вода под давлением — широко используется в PWR/ВВЭР;
Кипящая вода — применяется в BWR;
Тяжёлая вода — в CANDU;
Жидкие металлы (Na, Pb, Pb-Bi) — в быстрых реакторах;
Газ (CO₂, He) — в реакторах типа AGR и HTR;
Расплавленные соли — в реакторах нового поколения.

По конструктивным особенностям и размещению топлива

Тепловыделяющие элементы (твэлы):

Стержни, трубы, таблетки, сферы — в зависимости от конструкции активной зоны;
Фиксированные или перемещаемые — с возможностью регулирования реактивности.

Модульность:

Малые модульные реакторы (SMR) — компактные, могут быть собраны заводским методом;
Крупномасштабные установки — до 1600 МВт электрической мощности.

По назначению реактора

Энергетические реакторы — для производства электроэнергии;
Исследовательские реакторы — для проведения экспериментов, испытаний материалов и нейтронографии;
Производственные — для получения радиоизотопов;
Транспортные — на атомных подводных лодках, ледоколах, авианосцах;
Опытно-экспериментальные — для отработки новых конструкций и технологий.

По степени воспроизводства делящегося материала (бридеры и конверторы)

Реакторы-бридеры (реакторы-размножители):

Обладают способностью производить больше делящегося материала, чем расходуют. Пример: преобразование ²³⁸U в ²³⁹Pu или ²³²Th в ²³³U. Обычно реализуются на базе быстрых реакторов, где эффективность захвата нейтронов выше.

Реакторы-конверторы:

Частично компенсируют расход топлива, но не обеспечивают полное воспроизводство. Это большинство тепловых реакторов, использующих ²³⁸U.

По степени безопасности и поколениям

Международное сообщество выделяет несколько поколений реакторов по уровню технологического развития.

Поколение I — ранние опытные реакторы (1950–1960-е гг.);
Поколение II — реакторы длительной промышленной эксплуатации (PWR, BWR, РБМК, CANDU);
Поколение III / III+ — усовершенствованные системы с повышенной безопасностью (EPR, AP1000, ВВЭР-1200);
Поколение IV — реакторы будущего, находящиеся в стадии разработки, включая:
- Газоохлаждаемые высокотемпературные реакторы (VHTR);
- Реакторы на расплавах солей (MSR);
- Реакторы с быстрым спектром и замкнутым топливным циклом (GFR, SFR, LFR);
- Сверхбезопасные маломощные автономные установки.

Специальные типы реакторов

Реакторы с жидким топливом

В таких установках топливо и теплоноситель представляют собой однородную смесь — например, в реакторах на расплавах солей. Преимущества:

Высокая эффективность использования топлива;
Саморегулируемость;
Возможность онлайн-переработки.

Подкритические реакторы с внешним источником нейтронов (ADS)

Используют ускорители частиц для генерации нейтронов, что позволяет управлять реакцией и перерабатывать радиоактивные отходы. Подкритичность повышает уровень пассивной безопасности.

Сравнительные характеристики основных типов реакторов

Тип реактора	Замедлитель	Теплоноситель	Топливо	Спектр нейтронов	Применение
PWR / ВВЭР	Вода	Вода	UO₂	Тепловой	Энергетика
BWR	Вода	Вода (кипящая)	UO₂	Тепловой	Энергетика
CANDU	Тяж. вода	Тяж. вода	U, UO₂	Тепловой	Энергетика
РБМК	Графит	Вода	UO₂	Тепловой	Энергетика
БН-600/800	Нет	Натрий	MOX	Быстрый	Энергетика
MSR	Нет	Расплав соли	Растворы	Тепл./быстрый	Перспектива
HTR/HTGR	Графит	Гелий	UO₂	Тепловой	Энергетика, водород

Современное развитие ядерной энергетики требует непрерывного совершенствования реакторных технологий с учётом требований по экономичности, безопасности, устойчивости к авариям, замыканию топливного цикла и сокращению радиоактивных отходов. Многообразие типов реакторов позволяет гибко подходить к этим задачам в зависимости от условий эксплуатации, ресурсов страны и стратегических целей.