Так в начале атомного века называли ядерный реактор на тепловых нейтронах. И поныне это самый распространенный, самый освоенный тип реактора. Тепловые реакторы — сердце современных атомных электростанций.

В таком реакторе уран-235 захватывает нейтроны с энергией, близкой к энергии тепловых колебаний атомов замедлителя — вещества (обыкновенно графита или воды), окружающего уран, загруженный в реактор. При делении атомов урана рождаются быстрые нейтроны. Их энергия в сотни миллионов раз превосходит тепловую. В столкновениях с атомами замедлителя быстрые нейтроны постепенно теряют скорость и через некоторое время становятся тепловыми. Замедленные нейтроны с гораздо большей вероятностью, чем быстрые, прилипают к урану-235. В то же время с балластным ураном-238 степень взаимодействия остается незначительной. Это способствует протеканию цепной ядерной реакции в природном уране. Нейтроны малых энергий как бы выискивают среди пассивных атомов урана-238 ядерное горючее — уран-235.

Реактор высокой мощности на тепловых нейтронах — внушительное сооружение. Площадь здания, в котором он размещается, 20 тысяч квадратных метров, высота 34 метра. В активной зоне реактора 1337 каналов, в каждом — урановые стержни длиной около четырех метров. Пространство между стержнями заполнено замедлителем — графитом. Всего в реакторе 1400 тонн графита, около 100 тонн естественного урана. Мощность такого реактора порядка миллиона киловатт.

На каждый ватт мощности цепной реакции происходит 30 миллиардов делений ядер в секунду. Такое колоссальное число соответствует лишь одной тысячной микрограмма разделившегося урана. Активная зона реактора на тепловых нейтронах напоминает стены древних каменных зданий, только вместо белого камня в реакторной кладке — черные графитовые блоки. Форма кладки близка к кубу с ребром в несколько метров. Куб пронизывают отверстия, в них заложен уран в металлических оболочках, надежно предохраняющих его от взаимодействия с водой и воздухом. Нейтроны, родившиеся в уране, попадают в графит и отдают энергию легким ядрам углерода. Потеряв энергию, нейтроны вызывают новые деления урана-235 и поддерживают цепную реакцию. Деление ядер на осколки сопровождается интенсивным гамма-излучением. К реактору, работающему на мощности около десятой доли ватт, уже нельзя приближаться, если он не окружен слоем вещества, поглощающего гамма-лучи и нейтроны. Поэтому у мощного реактора многометровая бетонная защита. Неплохо поглощает нейтроны и обыкновенная вода. Так, в реакторах бассейнового типа активная зона погружена в воду на глубину в несколько метров. Когда мощность не слишком велика, слой воды такой толщины надежно защищает и от гамма-лучей и от нейтронов. Если подойти к краю бассейна работающего реактора, то в глаза бросается яркое сине-голубое свечение, исходящее от урановых стержней. Это излучение Черенкова. Расщепление ядер нейтронами сопровождается появлением энергичных гамма-квантов. Такие гамма-кванты вырывают электроны из оболочек молекул воды и придают им громадную скорость, чем и вызывается световое излучение.

Но в самой активной зоне реактора, где происходит деление ядер урана-235, видимого излучения нет. Осколки деления урана — атомные ядра с порядковыми номерами от нескольких единиц до 80.

Активная зона реактора — мир ядерных превращений. Часть нейтронов цепной реакции захватывают ядра урана-238. Нейтрон не изменяет атомного номера урана — получается изотоп уран-239. Новый изотоп нестабилен, испускает ядерный электрон — бета-частицу — и становится ядром первого трансуранового элемента № 93 — нептуния. Нептуний, в свою очередь, переходит таким же путем в плутоний-239, который распадается наполовину за 24 тысячи лет, — время достаточно большое, чтобы не беспокоиться о потерях. В отличие от урана-238 плутоний-239 делится тепловыми нейтронами и может служить отличным ядерным горючим. По своим «реакторным» характеристикам он даже превосходит уран-235.

Плутоний — родоначальник новых искусственных элементов, накапливаемых в ядерном реакторе. В обычном реакторе плутоний облучают месяцами, а то и долгие годы, чтобы получить высшие элементы. Но, оказывается, можно построить реакторы, в которых интенсивность нейтронов особенно велика и новые элементы накапливаются быстрее.

В нейтронных потоках ядерных реакторов производят почти все радиоактивные изотопы, применяемые в науке, технике, медицине.

Но главное, что дают тепловые реакторы, — энергия и новое ядерное горючее — плутоний.

Проследим путь, по которому энергия тяжелого атомного ядра, расщепившегося в активной зоне реактора, попадает к электрическим двигателям заводов, лампам, освещающим города и села, в радиаторы отопления наших жилищ.

В процессе деления ядра основная доля освобождаемой энергии переходит в кинетическую энергию осколков. Ядра-осколки летят со скоростью, примерно равной десятой доли скорости света. Осколки тормозятся в уране и веществе, окружающем уран. При торможении их энергия переходит в тепло. Тепло отводится водой, протекающей через активную зону. Горячая вода поступает в специальный теплообменник — парогенератор.

В активную зону первой в мире советской АЭС вода входит под давлением, нагретая до 130°С. На выходе из активной зоны температура повышается до 270°С. И все же вода не закипает и не становится паром. Она проходит по трубам парогенератора под давлением сто атмосфер. Высокое давление удерживает воду в жидком состоянии. Тепло от контура высокого давления передается через стенки труб воде под низким давлением, и она превращается в пар с давлением 12 атмосфер и температурой 260°С. Пар поступает в сопло турбины и движет ее колесо, вращающее вал генератора.

Из законов термодинамики следует — с увеличением температуры и давления растет коэффициент полезного действия. В современных АЭС и давление и температура пара значительно выше, чем у первенца ядерной энергетики.

Мощность первой АЭС, отдаваемая в электрическую сеть, всего 5000 киловатт.

Мощность больших современных атомных станций— таких, как Нововоронежская или Белоярская, в десятки раз превосходит мощность первой АЭС. Выше и температура и давление пара, приводящего в действие турбину. Коэффициент полезного действия современных атомных электростанций немногим меньше, чем у обычных, сжигающих химическое топливо (соответственно 32 и 39 %), хотя узлы тепловых станций отрабатывались столетиями.