§ 79. Ядерная энергетика

Определения и обозначения

Ядерная энергетика — получение электрической и тепловой энергии за счёт энергии, выделяющейся при ядерных реакциях. Её используют, чтобы снабжать энергией города и предприятия. В химическом топливе энергия выделяется при взаимодействии атомов и молекул, а при ядерном — при изменении атомных ядер.

Деление тяжёлого ядра — распад ядра, например урана-235, на более лёгкие ядра с выделением энергии и нейтронов. Это не распад на отдельные протоны и нейтроны: образуются новые ядра. Деление служит источником энергии в реакторе.

Цепная ядерная реакция — процесс, при котором нейтроны, возникшие при делении, вызывают новые деления ядер. Каждое следующее деление может дать новые нейтроны. Понимание этой связи помогает объяснить, как реакция продолжается и почему её требуется регулировать.

Ядерный реактор — установка, в которой цепная реакция деления поддерживается и регулируется для получения энергии. В нём создают условия для продолжения реакции и отвода тепла. Реактор нужен как управляемый источник тепла, а не как готовый генератор электричества.

Как это устроено

При делении тяжёлого ядра образуются более лёгкие ядра и нейтроны, а суммарная масса продуктов реакции меньше массы исходного ядра и нейтрона. Масса не исчезает бесследно: её разность Δm соответствует выделившейся энергии по формуле E = Δm c². Поэтому чем больше дефект массы, тем больше энергии может выделиться; вся масса топлива в энергию не превращается.

Нейтроны, появившиеся при одном делении, могут попасть в другие делящиеся ядра и вызвать новые деления. Так возникает цепная реакция: продукты одного события становятся причиной следующих. Для устойчивой работы реактора число нейтронов регулируют, чтобы реакция не затухала и не нарастала бесконтрольно.

В активной зоне реактора находится ядерное топливо, содержащее делящиеся ядра. Замедлитель снижает скорость нейтронов: в некоторых реакторах медленные нейтроны эффективнее вызывают деление. Управляющие стержни поглощают часть нейтронов, поэтому их перемещением меняют интенсивность реакции и при необходимости останавливают её.

При делениях выделяется тепло, которое нагревает теплоноситель. Он переносит энергию от активной зоны к оборудованию, где получают пар; так тепло можно передать турбине, не смешивая рабочие части установки с топливом. Пар вращает турбину, а связанный с ней генератор преобразует вращение в электрический ток.

Атомная электростанция включает не только реактор, но также оборудование для передачи тепла и производства электричества. Её работа зависит от систем защиты и отвода тепла: даже после прекращения цепной реакции топливо продолжает выделять остаточное тепло. Отработавшее топливо содержит радиоактивные вещества, поэтому его охлаждают, хранят в специальных условиях и при необходимости перерабатывают.

Основные элементы ядерного реактора и их функции

Таблица показывает, какой элемент выполняет конкретную задачу в реакторе. Проследи путь энергии: топливо выделяет её, теплоноситель переносит, а замедлитель и управляющие стержни влияют на ход реакции. Эти функции различны, поэтому элементы нельзя считать взаимозаменяемыми.

Разбор задач

1. Энергия одного деления

При делении ядра дефект массы продуктов реакции равен Δm. Нужно записать энергию, выделяющуюся при одном делении. Численное значение не требуется, поэтому достаточно выбрать закон, который связывает массу и энергию.

1. Определяем, что Δm — это разность массы исходных частиц и продуктов реакции.
2. Используем связь массы и энергии: E = mc².
3. Подставляем в формулу дефект массы вместо m: E = Δm c².

Ответ: E = Δm c². Если Δm задана в килограммах, а скорость света c — в метрах в секунду, энергия получится в джоулях. Формула относится к энергии, соответствующей указанному дефекту массы.

2. Средняя тепловая мощность

Реактор передал теплоносителю количество теплоты Q за время t. Требуется найти среднюю тепловую мощность. Она показывает, сколько энергии передаётся за единицу времени, поэтому здесь важны обе величины, а не только общее количество теплоты.

1. Записываем определение мощности: P = Q/t.
2. Подставляем заданные Q и t в согласованных единицах: джоулях и секундах.
3. Проверяем единицу результата: 1 Дж/с = 1 Вт.

Ответ: P = Q/t. Если время дано в минутах или часах, перед вычислением его переводят в секунды, когда Q выражено в джоулях. Полученное значение характеризует среднюю тепловую мощность за весь промежуток времени.

3. КПД электростанции

За время t электростанция выработала электрическую энергию W, а реактор работал с тепловой мощностью P. Нужно определить долю поступившей тепловой энергии, которая стала полезной электрической энергией. Для этого сначала найдём, сколько тепла поступило за указанное время.

1. Тепловая энергия за время t равна Q = Pt.
2. КПД — отношение полезной энергии к затраченной, поэтому η = W/Q.
3. Подставляем Q = Pt: η = W/(Pt). Для выражения в процентах умножаем результат на 100%.

Ответ: η = W/(Pt), или η = 100% · W/(Pt) в процентах. Энергия W и произведение Pt должны быть выражены в одинаковых единицах. Если они заданы в киловатт-часах и джоулях, сначала нужно привести их к одной системе.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при делении ядра вся масса превращается в энергию. Так можно подумать, потому что формула E = mc² связывает массу с энергией, но в реакции учитывается лишь дефект массы. Проверь себя: сравни массу исходных частиц с суммарной массой продуктов и подставляй в формулу именно разность.

Ошибка: путать управляемую цепную реакцию реактора с неконтролируемым быстрым развитием реакции. Путаница возникает потому, что в обоих случаях деления вызывают новые деления, однако различается регулирование числа нейтронов. Проверь себя вопросом: есть ли в установке средства, которые поглощают нейтроны и меняют интенсивность реакции?

Ошибка: считать, что управляющие стержни ускоряют реакцию. Их название связывают с управлением в целом, но стержни поглощают нейтроны и обычно уменьшают число возможных делений. Проверь себя по функции элемента: чем больше нейтронов поглощено, тем меньше их остаётся для продолжения цепной реакции.

Ошибка: отождествлять реактор со всей атомной электростанцией. Реактор выделяет тепло, поэтому его легко принять за устройство, которое само производит электрический ток. Проверь себя, проследив цепочку преобразований: кроме реактора нужны пар, турбина и генератор.

Связь с другими темами

Для понимания ядерной энергетики нужны закон сохранения энергии, понятия мощности и КПД, а также связь массы и энергии E = mc². Эти знания помогают описывать, сколько энергии выделяется и какая её часть становится электрической. В задачах они используются для расчёта тепловой мощности и эффективности установки.

Тема опирается на представления о строении атомного ядра, изотопах и радиоактивности. Изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, но различаются числом нейтронов; некоторые из них могут делиться. Понимание радиоактивности нужно и для оценки требований к обращению с топливом.

Знания о ядерной энергетике пригодятся при изучении ядерных реакций, радиационной безопасности и способов получения электрической энергии. Они позволяют сравнивать источники энергии и разбирать, как устроены системы защиты. Связь физики с практикой особенно заметна в вопросах хранения отработавшего топлива.

Что запомнить

• При делении тяжёлых ядер выделяется энергия.
• Энергия реакции связана с дефектом массы формулой E = Δm c².
• Нейтроны деления могут поддерживать цепную реакцию.
• В реакторе цепную реакцию регулируют, в частности, поглощающими нейтроны стержнями.
• Тепло реактора используют для вращения турбины и генератора.
• Отработавшее топливо и безопасность требуют специального обращения.