"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч.1); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 2)
Ядерная энергетика использует энергию, выделяющуюся при делении тяжёлых атомных ядер. В ядерном реакторе цепная реакция поддерживается и регулируется, а теплота отводится теплоносителем. Затем вода превращается в пар, пар вращает турбину, а генератор вырабатывает электричество. Главное в теме — понять связь дефекта массы с энергией, устройство реактора, преобразования энергии на АЭС и необходимость радиационной защиты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ядерная энергетика — получение энергии за счёт ядерных превращений и её использование для производства электричества и тепла. Она позволяет получать много энергии из сравнительно небольшой массы топлива. Главная особенность — источник энергии находится в ядрах атомов, а не в химических связях.
Цепная ядерная реакция — самоподдерживающаяся последовательность делений ядер, при которой нейтроны от одного деления вызывают новые деления. Для устойчивой реакции должно сохраняться достаточное число нейтронов. Это понятие нужно, чтобы объяснить работу реактора и возможность регулировать выделение энергии.
Ядерный реактор — установка, в которой управляемая цепная реакция деления ядер сопровождается выделением теплоты. В реакторе находятся топливо, замедлитель, управляющие стержни и теплоноситель. Их совместная работа позволяет поддерживать реакцию на нужной мощности.
Атомная электростанция — энергетическая установка, преобразующая теплоту ядерного реактора в электрическую энергию. Реактор заменяет топку обычной тепловой станции, но турбина и генератор выполняют похожие функции. Поэтому АЭС — это не прямой источник электричества, а сложная цепочка преобразований энергии.
При делении тяжёлого ядра образуются два более лёгких осколка, нейтроны и энергия. Осколки оказываются связанными сильнее, поэтому суммарная масса продуктов немного меньше массы исходной системы. Разность масс, или дефект массы Δm, превращается в энергию по формуле E = Δmc², где c — скорость света.
Нейтрон может попасть в ядро урана и сделать его неустойчивым, после чего ядро разделится. При одном делении обычно появляются новые нейтроны, и каждый из них способен вызвать следующее деление. Если в среднем хотя бы один такой нейтрон продолжает реакцию, возникает самоподдерживающаяся цепь; потеря слишком многих нейтронов, наоборот, её прекращает.
Замедлитель уменьшает скорость быстрых нейтронов, потому что для некоторых ядер урана медленные нейтроны эффективнее вызывают деление. Управляющие стержни поглощают нейтроны и тем самым меняют число продолжающихся реакций. Теплоноситель забирает теплоту из активной зоны, поэтому топливо не перегревается, а энергия переносится к следующему этапу установки.
Теплоноситель передаёт теплоту воде в парогенераторе, и вода превращается в пар высокого давления. Поток пара расширяется и толкает лопатки турбины, превращая внутреннюю энергию пара в механическую. Вал турбины вращает генератор, где механическая энергия преобразуется в электрический ток.
Радиоактивное излучение опасно для живых организмов, поэтому реактор окружают защитными материалами и герметичными оболочками. Системы контроля и аварийного охлаждения нужны для отвода остаточной теплоты даже после остановки цепной реакции. Отработавшее топливо и радиоактивные отходы нельзя смешивать с обычным мусором: их изолируют, контролируют и хранят в специально оборудованных местах.
Таблица показывает последовательность превращений от деления ядер до получения электрического тока. Для решения задач полезно прослеживать, на каком этапе дана энергия или мощность и какой коэффициент полезного действия нужно учесть.
В реальной установке часть энергии рассеивается при передаче теплоты и преобразованиях. Поэтому электрическая энергия и мощность всегда меньше соответствующих тепловых величин реактора.
| Элемент или этап | Что происходит | Форма энергии или результат |
|---|---|---|
| Деление ядер топлива | Ядра урана делятся под действием нейтронов | Ядерная энергия превращается во внутреннюю энергию осколков и нейтронов |
| Теплоноситель | Поглощает теплоту активной зоны реактора | Перенос теплоты к парогенератору или турбине |
| Парогенератор | Вода нагревается и превращается в пар | Внутренняя энергия превращается в энергию пара |
| Турбина | Поток пара вращает лопатки | Внутренняя энергия пара превращается в механическую |
| Генератор | Вращение турбины создаёт электрический ток | Механическая энергия превращается в электрическую |
Условие. При делении одного ядра урана дефект массы равен 0,20 а.е.м. Определим выделившуюся энергию. Используем 1 а.е.м. ≈ 1,66 · 10⁻²⁷ кг.
Ответ: при одном делении выделяется примерно 3,0 · 10⁻¹¹ Дж. Небольшая энергия одного события становится значительной из-за огромного числа делений.
Условие. Нужно получить электрическую энергию A = 3,0 · 10¹² Дж. Энергия одного деления ε = 3,0 · 10⁻¹¹ Дж, КПД станции η = 0,30, масса одного ядра топлива m₀ = 4,0 · 10⁻²⁵ кг.
Ответ: потребуется примерно 0,13 кг ядерного топлива, если все заданные параметры постоянны.
Условие. Тепловая мощность реактора Pₜ = 900 МВт, КПД станции η = 0,35. Определим электрическую мощность и энергию за 2 часа работы.
Ответ: электрическая мощность станции составляет 315 МВт, а за 2 часа она вырабатывает около 2,27 · 10¹² Дж электрической энергии. Расход топлива можно найти, разделив тепловую энергию Pₜt на энергию одного деления и умножив число делений на массу одного ядра.
Полное превращение массы в энергию. Часто считают, что вся масса ядра исчезает, хотя превращается только дефект массы. Проверьте себя: в формуле E = Δmc² должна стоять именно разность масс.
Путаница между реактором и взрывом. Цепную реакцию иногда представляют как обязательно мгновенную. В реакторе управляющие стержни и системы контроля поддерживают нужную скорость реакции; спросите себя, описывается ли процесс регулированием мощности.
Отождествление тепловой и электрической мощности. Реактор выделяет теплоту, а электричество появляется после нескольких преобразований. Если в условии указан КПД, электрическую мощность нужно найти по формуле Pₑ = ηPₜ.
Пренебрежение радиационной безопасностью. Радиоактивные отходы нельзя считать обычными промышленными отходами, поскольку они продолжают излучать и распадаться. Проверьте, учтены ли защитные барьеры, охлаждение и изоляция отходов.
До изучения ядерной энергетики нужны знания о строении атомного ядра, радиоактивности, дефекте массы и формуле E = mc². Эти понятия объясняют источник энергии ядерных реакций.
При расчётах применяются закон сохранения энергии, мощность, работа и КПД. Они связывают энергию деления с полезной электрической энергией станции.
Тема продолжает идеи термодинамики и работы электрических станций, а также помогает понять вопросы радиационной безопасности и экологические проблемы энергетики.
Почему при делении ядра выделяется энергия?
После деления осколки ядер и нейтроны имеют в сумме меньшую массу, чем исходное ядро и вызвавший реакцию нейтрон. Дефект массы превращается в энергию по формуле E = Δmc².
Чем управляемая цепная реакция в реакторе отличается от взрыва?
В реакторе число делений регулируют так, чтобы теплота выделялась постепенно и устойчиво. При взрыве реакция развивается крайне быстро и не успевает управляться системами регулирования.
Зачем в реакторе нужны управляющие стержни?
Стержни поглощают нейтроны и изменяют скорость цепной реакции. При их погружении реакция ослабевает, а при извлечении число делений увеличивается.
Почему атомная электростанция всё равно использует турбину и генератор?
Реактор в первую очередь выделяет теплоту, а не производит электрический ток напрямую. Теплота превращает воду в пар, поток пара вращает турбину, а генератор преобразует механическую энергию в электрическую.
Опасна ли атомная энергетика после остановки реактора?
После остановки цепная реакция прекращается, но радиоактивные продукты распада продолжают выделять остаточную теплоту и излучение. Поэтому нужны охлаждение, защитные оболочки и безопасное обращение с радиоактивными отходами.
§ 35. Ядерная энергетика
