§ 35. Ядерная энергетика

Определения и обозначения

Ядерная энергетика — область энергетики, использующая энергию атомных ядер. На АЭС эта энергия сначала превращается в тепло, затем в механическую энергию турбины и, наконец, в электрическую. Понимание этой последовательности помогает отличать источник тепла от способа получения электрического тока.

Деление ядра — распад тяжёлого атомного ядра на два более лёгких ядра с выделением энергии и нескольких нейтронов. Для энергетики особенно важно деление ядер урана-235: вылетевшие нейтроны могут вызвать новые деления. Поэтому один акт превращается в основу цепной реакции.

Цепная реакция — процесс, при котором нейтроны, появившиеся в одном делении, вызывают следующие деления. Её интенсивность регулируют поглощающими стержнями и другими системами реактора. Коэффициент размножения нейтронов k показывает режим реакции: при k = 1 она стационарна, при k < 1 затухает, а при k > 1 усиливается.

Как это устроено

В активной зоне реактора находятся топливные сборки с ядрами, способными делиться. Нейтрон захватывается ядром урана-235, после чего нестабильное ядро распадается на осколки, а разность масс превращается в энергию по формуле E = mc². Новые нейтроны поддерживают реакцию, но без регулирования мощность стала бы быстро изменяться.

Чтобы реакция была управляемой, в реактор вводят стержни из веществ, хорошо поглощающих нейтроны. При погружении стержней число свободных нейтронов уменьшается и мощность падает, а при извлечении возрастает. Замедлитель снижает скорость нейтронов, потому что медленные нейтроны с большей вероятностью вызывают деление некоторых ядер урана.

Тепло от топлива нужно непрерывно отводить, иначе оболочки топливных элементов и детали реактора перегреются. Для этого через активную зону циркулирует теплоноситель, например вода. В двухконтурной схеме радиоактивная вода первого контура нагревает воду второго через теплообменник, поэтому пар для турбины не контактирует непосредственно с активной зоной.

Пар поступает на лопатки турбины и приводит её во вращение. Вал турбины вращает генератор, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую благодаря электромагнитной индукции. После турбины пар охлаждается, снова превращается в воду и возвращается в цикл, поэтому теплоноситель можно использовать многократно.

Безопасность строится на нескольких независимых барьерах: оболочке топливных таблеток, корпусе реактора, герметичных контурах и защитной оболочке здания. Системы аварийного охлаждения должны отвести остаточное тепло даже после остановки цепной реакции. Радиоактивные отходы сортируют, перерабатывают или изолируют, поскольку их активность может сохраняться очень долго.

Основные процессы на АЭС

Таблица показывает, как отдельные элементы станции связаны в единую энергетическую цепочку. При чтении двигайтесь слева направо: сначала возникает тепло, затем оно переносится и преобразуется. Так легче увидеть, почему реактор сам по себе не вырабатывает электричество.

КПД станции меньше 100 %, потому что часть энергии неизбежно уходит с нагретой охлаждающей водой и другими потерями. Поэтому мощность реактора и мощность, поступающая в электросеть, — разные величины. Умножение тепловой энергии на КПД позволяет оценить реально полученную электрическую энергию.

Разбор задач

Задача. При делении одного ядра урана-235 выделяется в среднем 200 МэВ. Найдите энергию, которая выделится при полном делении 1 кг урана-235, и оцените электрическую энергию при КПД станции 35 %. Считать атомную массу равной 235 г/моль, а постоянную Авогадро — 6,02·10²³ моль⁻¹.

Сначала нужно найти количество атомов в образце, затем энергию всех делений и только после этого учесть КПД. Нельзя сразу умножать массу на энергию одного деления: масса дана в килограммах, а энергия относится к одному ядру. Переведём также мегаэлектронвольты в джоули.

1. Число молей: ν = m/M = 1000 г / 235 г/моль ≈ 4,26 моль.
2. Число ядер: N = νNₐ ≈ 4,26 · 6,02·10²³ ≈ 2,56·10²⁴.
3. Энергия одного деления: E₁ = 200 МэВ = 200 · 1,602·10⁻¹³ Дж ≈ 3,20·10⁻¹¹ Дж.
4. Полная тепловая энергия: E = NE₁ ≈ 2,56·10²⁴ · 3,20·10⁻¹¹ ≈ 8,2·10¹³ Дж.
5. Электрическая энергия: Eэл = ηE = 0,35 · 8,2·10¹³ ≈ 2,9·10¹³ Дж.

Полученный результат относится к идеальному случаю, когда делятся все ядра образца. В реальном топливе часть урана остаётся неиспользованной, а энергия расходуется на работу оборудования и рассеивается в окружающей среде. Тем не менее расчёт показывает, почему ядерное топливо обладает очень высокой энергетической плотностью.

Ответ: при полном делении 1 кг урана-235 выделилось бы примерно 8,2·10¹³ Дж тепла, из которых при КПД 35 % можно получить около 2,9·10¹³ Дж электрической энергии.

Типичные ошибки

Путать деление и синтез ядер. Деление расщепляет тяжёлое ядро, а синтез объединяет лёгкие ядра; оба процесса выделяют энергию, но устроены по-разному. Ошибка возникает из-за похожих названий. Проверьте себя вопросом: ядро распадается или соединяется?

Считать, что цепная реакция всегда взрывоопасна. На энергетическом реакторе число делений поддерживают около стационарного режима, а скорость реакции регулируют поглотителями нейтронов. Такое заблуждение появляется при смешении понятий реактора и ядерного оружия. Ищите в условии или объяснении режим k = 1 и наличие системы управления.

Не учитывать КПД. Реактор выделяет тепловую энергию, но генератор получает только её часть. Ошибку часто допускают, потому что в задаче сначала находят энергию деления. Если требуется электрическая энергия, после расчёта тепла умножьте результат на η.

Неверно переводить МэВ в джоули. Один мегаэлектронвольт равен 1,602·10⁻¹³ Дж, а не 1,602·10⁻¹⁹ Дж. Перед вычислениями запишите единицу перевода отдельно и оцените порядок ответа: энергия деления должна быть около 10⁻¹¹ Дж.

Связь с другими темами

Ядерная энергетика напрямую связана с физикой атомного ядра: массовым дефектом, радиоактивностью, периодом полураспада и законом E = mc². С электродинамикой её объединяет работа генератора, основанная на электромагнитной индукции.

При сравнении АЭС с тепловыми электростанциями используется понятие КПД и закон сохранения энергии. Вопросы защиты и отходов связывают тему с дозиметрией, биологическим действием ионизирующего излучения и экологией.

Что запомнить

• АЭС получает тепло при управляемом делении ядер тяжёлых атомов.
• Цепная реакция поддерживается нейтронами и регулируется их поглощением.
• Последовательность преобразований: ядерная энергия → тепловая → механическая → электрическая.
• Формулы для расчётов: N = m/M · Nₐ, E = NE₁, Eэл = ηE.
• Главные требования к АЭС — охлаждение активной зоны, радиационная защита и безопасное обращение с отходами.