§ 8.10. Ядерный реактор. Ядерная энергетика

Определения и обозначения

Ядерный реактор — устройство, в котором поддерживается управляемая цепная реакция деления ядер. Его назначение — получать тепло, выделяющееся при делении топлива. Это тепло можно использовать для производства электроэнергии или в других технологических целях.

Цепная ядерная реакция — процесс, при котором нейтроны от деления вызывают деление новых ядер. Она развивается, если часть образовавшихся нейтронов успевает попасть в другие ядра топлива, а не поглощается или не покидает активную зону. Для устойчивого режима число таких нейтронов регулируют.

Замедлитель нейтронов — вещество, которое уменьшает скорость нейтронов при их столкновениях с атомными ядрами. В некоторых реакторах медленные нейтроны с большей вероятностью вызывают деление ядер топлива. Замедлитель помогает создать условия для эффективного поддержания реакции.

Управляющие стержни — элементы из веществ, поглощающих нейтроны. Погружая стержни глубже или выдвигая их, изменяют число нейтронов, доступных для новых делений. Так регулируют мощность реактора и при необходимости останавливают реакцию.

Как это устроено

Когда тяжёлое ядро делится, оно распадается на более лёгкие ядра и выделяет энергию. Также появляются нейтроны, которые могут попасть в другие ядра топлива и вызвать их деление. Так один акт деления способен стать началом цепочки новых актов. Реакция развивается, если нейтронов, вызывающих следующие деления, достаточно для её продолжения.

В реакторе требуется не просто запустить реакцию, а удерживать её на заданном уровне. Если слишком мало нейтронов вызывает новые деления, реакция затухает; если их число чрезмерно растёт, увеличивается мощность и нагрев. Замедлитель снижает скорость нейтронов, а управляющие стержни поглощают их часть. Подбирая положение стержней, специалисты регулируют интенсивность деления.

Деление выделяет тепло внутри активной зоны — области реактора, где находятся топливо и происходят основные ядерные процессы. Теплоноситель проходит через эту зону и уносит энергию, не давая топливу и конструкциям перегреваться. Затем тепло передают воде или другому рабочему веществу. Полученный пар под давлением направляют на лопатки турбины, заставляя её вращаться.

Турбина соединена с генератором, который преобразует механическую энергию вращения в электрическую. Таким образом, в энергоблоке энергия ядерных процессов сначала становится тепловой, затем механической и, наконец, электрической. Часть энергии неизбежно рассеивается в окружающей среде, поэтому электрическая энергия меньше полученного реактором тепла. Реактор является источником тепла, а непосредственную выработку тока выполняет генератор.

Работа реактора требует защиты от ионизирующего излучения — излучения, способного изменять состояние атомов и молекул. Экраны и защитная оболочка ограничивают его распространение за пределы установки. Системы контроля следят за мощностью, температурой и другими параметрами, а соблюдение установленного режима помогает предотвратить опасные ситуации. Защита не заменяет регулирование реакции, а действует вместе с ним.

Основные части ядерного реактора и их функции

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите часть реактора, затем сравните её назначение с влиянием на работу установки. Замедлитель и управляющие стержни оба связаны с нейтронами, но выполняют разные задачи: один меняет их скорость, другие поглощают. Теплоноситель отвечает за перенос энергии, а не за регулирование цепной реакции.

Разбор задач

Какие части отводят тепло и регулируют число нейтронов?

Условие. Назовите части реактора, которые отводят тепло из активной зоны и регулируют число нейтронов. Нужно сопоставить функции элементов, а не искать одну деталь, выполняющую обе задачи.

1. Отвод тепла — это перенос энергии от нагретой активной зоны к другим частям установки.
2. Эту функцию выполняет теплоноситель, который проходит через активную зону и уносит энергию.
3. Число нейтронов для новых делений меняют управляющие стержни: они поглощают нейтроны.

Ответ. Тепло отводит теплоноситель, а число нейтронов регулируют управляющие стержни. Замедлитель не заменяет стержни: он уменьшает скорость нейтронов.

Сколько делений нужно для получения заданной энергии?

Условие. При делении одного ядра выделяется энергия E. Оцените число делений, необходимое для получения энергии Q, если потерями пренебречь. Численные значения не заданы, поэтому ответ нужно записать через данные величины.

1. Если каждое деление даёт энергию E, то N одинаковых делений дадут суммарную энергию NE.
2. Приравниваем эту энергию требуемой: NE = Q.
3. Делим обе части равенства на E: N = Q/E. Перед делением проверяем, что Q и E выражены в одинаковых единицах.

Ответ. Необходимо N = Q/E делений. Если энергии указаны в разных единицах, сначала переводим их, например в джоули.

Какая электрическая энергия получается при заданном КПД?

Условие. Электростанция получила от реактора тепловую энергию Q, а её КПД равен η. Требуется определить электрическую энергию и указать, куда уходит остальная энергия. КПД показывает, какая доля полученной энергии превращается в полезную.

1. Записываем определение КПД: η = A/Q, где A — полезная электрическая энергия.
2. Выражаем A: A = ηQ. Если КПД дан в процентах, сначала переводим его в долю, разделив число на 100.
3. Энергия, не ставшая электрической, равна Q − A = Q(1 − η). Она рассеивается в окружающей среде, прежде всего в виде тепла.

Ответ. Электрическая энергия равна A = ηQ, а потери составляют Q(1 − η). Проверка: полезная энергия и потери в сумме дают исходную тепловую энергию Q.

Типичные ошибки

Ошибочно говорить, что при делении энергия возникает из ничего. Такое впечатление появляется, если учитывать только выделившуюся энергию, но забывать об изменении состояния системы. При делении меняется энергия связи ядер, а небольшая разность масс соответствует выделившейся энергии по формуле E = mc². Проверь себя: в объяснении должен быть указан источник энергии и закон её сохранения.

Замедлитель и управляющие стержни иногда путают, потому что оба влияют на поведение нейтронов. Однако замедлитель уменьшает их скорость, а стержни поглощают часть нейтронов. Проверь себя вопросом: что изменилось — скорость нейтронов или их количество, доступное для новых делений? Ответ укажет на нужную часть реактора.

Цепную реакцию ошибочно считают обязательно неуправляемой. Это впечатление может возникнуть из-за того, что в обоих случаях деление вызывает новые деления. В реакторе число нейтронов регулируют, поддерживая нужный уровень мощности. Проверь себя: если в описании нет средств регулирования и контроля, значит, управляемый режим не объяснён.

Реактору иногда приписывают непосредственную выработку электрического тока. Причина ошибки — смешение всей электростанции с одним её устройством. Реактор выделяет тепло, которое приводит в движение турбину, а электрический ток вырабатывает генератор. Проверь себя: можешь ли ты назвать все этапы превращения энергии от топлива до электричества?

Связь с другими темами

Для понимания работы реактора нужны знания о строении атомного ядра, радиоактивности, делении ядер и законе сохранения энергии. Они объясняют, откуда берутся осколки, нейтроны и энергия при делении. Позже эта тема помогает сравнивать способы получения электроэнергии, разбираться в устройстве энергетических установок и оценивать вопросы безопасности использования атомной энергии. Особенно полезно прослеживать не только источник энергии, но и все этапы её преобразования.

Что запомнить

• При делении тяжёлых ядер выделяются энергия и нейтроны.
• Нейтроны могут вызывать новые акты деления — так возникает цепная реакция.
• В реакторе цепную реакцию поддерживают управляемой.
• Замедлитель уменьшает скорость нейтронов.
• Управляющие стержни поглощают нейтроны и регулируют реакцию.
• На атомной электростанции тепло реактора преобразуется в электрическую энергию.