§ 20. Ядерная энергия и ядерная энергетика

Определения и обозначения

Деление ядра — распад тяжёлого атомного ядра на два более лёгких ядра с испусканием нейтронов. В результате часть массы исходной системы переходит в энергию, а осколки и нейтроны разлетаются с большой скоростью. Это понятие нужно, чтобы описать главный процесс, на котором основана работа ядерного реактора.

Цепная ядерная реакция — процесс, при котором нейтроны, появившиеся при одном делении, вызывают деление других ядер. Новые деления снова дают нейтроны, и процесс может продолжаться. Понятие объясняет, как отдельные ядерные события превращаются в длительное выделение энергии.

Ядерный реактор — устройство, в котором цепную реакцию деления поддерживают и управляют ею. В нём подбирают условия для размножения нейтронов и отводят возникающее тепло. Реактор нужен, чтобы получать энергию постепенно и контролируемо.

Ядерная энергетика — область энергетики, использующая энергию ядерных превращений для производства электричества и тепла. Основной источник энергии на атомной электростанции — деление ядер топлива. Это понятие охватывает не только реактор, но и преобразование энергии, безопасность и обращение с радиоактивными материалами.

Как это устроено

При делении тяжёлого ядра образуются более лёгкие ядра-осколки. В них нуклоны связаны в среднем прочнее, то есть удельная энергия связи — энергия, приходящаяся на один нуклон, — становится больше. Поэтому суммарная масса продуктов реакции меньше массы исходных частиц; разность масс Δm превращается в энергию по формуле E = Δmc². Энергия не исчезает из ниоткуда: уменьшение массы системы соответствует увеличению энергии движения частиц и тепловой энергии.

Нейтрон может проникнуть в ядро урана и поглотиться им; возбуждённое ядро становится неустойчивым и делится. При таком делении выделяются энергия и несколько новых нейтронов. Если хотя бы часть этих нейтронов поглотится другими подходящими ядрами и вызовет их деление, появляются следующие поколения нейтронов. Поэтому один акт может стать началом цепной реакции, хотя она продолжится лишь при подходящем составе топлива и числе нейтронов.

Судьба нейтронов определяет режим реакции. Одни нейтроны вызывают новые деления, другие поглощаются веществами без деления или покидают активную зону; все эти случаи называют потерями для цепной реакции. При устойчивом режиме в среднем каждое поколение нейтронов создаёт ровно столько новых нейтронов для делений, сколько нужно для замены предыдущего поколения. Если новых нейтронов недостаточно, реакция затухает; если их избыток, интенсивность делений растёт.

В активной зоне реактора находится ядерное топливо, где происходят деления. Замедлитель, если он предусмотрен конструкцией, уменьшает скорость нейтронов: некоторые ядра топлива эффективнее делятся при медленных нейтронах. Управляющие стержни из материалов, поглощающих нейтроны, регулируют их доступное число. Теплоноситель забирает энергию у активной зоны и передаёт её дальше, а защитная оболочка препятствует распространению радиоактивных веществ.

Тепло, выделившееся в реакторе, нагревает теплоноситель; в паровой установке эта энергия используется для получения пара. Пар вращает турбину, соединённую с генератором, и генератор производит электрический ток. Значит, энергия деления сначала становится тепловой, затем механической и только после этого электрической. Для безопасной работы нужны радиационная защита, системы контроля и охлаждения, а также надёжное хранение и переработка радиоактивных отходов.

Основные элементы ядерного реактора и их назначение

Таблица показывает, какие задачи выполняют основные элементы реактора. Рассматривайте её как описание взаимосвязанных функций: одни компоненты поддерживают нужные условия для деления, другие регулируют процесс или отводят энергию. Состав и устройство конкретных реакторов могут различаться.

Разбор задач

Задача 1. Дефект массы при ядерной реакции равен 0,002 а.е.м. Найдём энергию, используя 1 а.е.м. ≈ 1,66·10⁻²⁷ кг и E = mc². Сначала переведём массу в килограммы, затем подставим скорость света c ≈ 3·10⁸ м/с. Такой порядок действий позволяет не смешивать единицы измерения.

1. Переводим дефект массы: Δm = 0,002 · 1,66·10⁻²⁷ кг = 3,32·10⁻³⁰ кг.
2. Подставляем в формулу: E = Δmc² = 3,32·10⁻³⁰ · (3·10⁸)² Дж.
3. Вычисляем: E ≈ 3,32·10⁻³⁰ · 9·10¹⁶ = 2,99·10⁻¹³ Дж.

Ответ: выделяется примерно 3,0·10⁻¹³ Дж. Энергия мала в бытовом масштабе, но выделяется при одном ядерном событии, поэтому важны и число происходящих реакций, и масштаб образца.

Задача 2. При одном акте деления выделяется около 200 МэВ. Оценим энергию при делении 10²⁰ ядер. Сначала переведём энергию одного акта в джоули, а затем умножим на число делений. Предполагаем, что каждое из указанных ядер разделилось один раз.

1. Используем перевод 1 эВ ≈ 1,60·10⁻¹⁹ Дж: 200 МэВ = 200·10⁶ эВ ≈ 3,2·10⁻¹¹ Дж.
2. Умножаем на число актов: Eобщ = 3,2·10⁻¹¹ · 10²⁰ Дж.
3. Складываем показатели степеней: Eобщ ≈ 3,2·10⁹ Дж.

Ответ: около 3,2·10⁹ Дж. Это оценка энергии деления; в реальной установке не вся энергия превращается в полезную электрическую энергию.

Задача 3. Сравним энергию деления 1 г урана-235 с энергией сгорания 1 г обычного топлива. Возьмём энергию деления равной 200 МэВ на ядро, а удельную теплоту сгорания — примерно 4,5·10⁷ Дж/кг. Сравнение потребует найти число ядер в грамме и учесть, что химическая энергия топлива существенно меньше энергии одного грамма урана при делении.

1. Число молей урана: n = 1 г / 235 г/моль ≈ 4,26·10⁻³ моль. Число ядер N ≈ n · 6,02·10²³ ≈ 2,56·10²¹.
2. Переводим энергию деления: 200 МэВ ≈ 3,2·10⁻¹¹ Дж. Тогда для образца Eя ≈ 2,56·10²¹ · 3,2·10⁻¹¹ ≈ 8,2·10¹⁰ Дж.
3. Для 1 г топлива Eт = 4,5·10⁷ Дж/кг · 0,001 кг = 4,5·10⁴ Дж. Отношение энергий: Eя / Eт ≈ 8,2·10¹⁰ / 4,5·10⁴ ≈ 1,8·10⁶.

Ответ: при принятых оценках деление 1 г урана-235 даёт примерно в 1,8 миллиона раз больше энергии, чем сгорание 1 г топлива. Результат приближённый: на практике учитывают состав топлива, полноту его выгорания и КПД установки.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при делении масса исчезает. Так думают, видя меньшую суммарную массу продуктов реакции. Но масса системы переходит в энергию, и закон сохранения энергии выполняется; себя можно проверить расчётом E = Δmc².

Ошибка: называть цепной реакцией любой распад ядра. Один распад может завершиться без продолжения, если его нейтроны не вызовут новые деления. Для самоподдерживающейся реакции нужны новые акты деления, порождённые нейтронами предыдущих актов; проверьте, есть ли в объяснении эта связь.

Ошибка: считать, что управляющие стержни ускоряют реакцию. Их задача — поглощать нейтроны, поэтому введение стержней обычно уменьшает число частиц, способных вызвать деление. Чтобы проверить ответ, проследите, увеличится или уменьшится число нейтронов для следующих поколений реакции.

Ошибка: полагать, что вся энергия деления сразу становится электричеством. Это заблуждение возникает из-за краткого описания работы электростанции. На деле сначала энергия превращается в тепло, затем в механическую энергию вращения турбины и только потом в электрическую; такая последовательность помогает проверить описание преобразований.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о составе ядра и изотопах, а также о дефекте массы и энергии связи: они объясняют, что меняется при делении и откуда берётся энергия. Закон сохранения энергии связывает уменьшение массы с выделением энергии через E = mc². Тема также связана с радиоактивностью, поскольку ядерные материалы требуют защиты и контроля, и с практическим производством электричества, где тепло преобразуют в работу турбины и ток генератора.

Что запомнить

• При делении тяжёлых ядер выделяется энергия.
• Энергия реакции связана с изменением массы соотношением E = mc².
• Нейтроны, возникающие при делении, могут поддерживать цепную реакцию.
• В реакторе цепную реакцию контролируют, в частности, с помощью стержней-поглотителей.
• На атомной электростанции энергия деления сначала превращается в тепло.
• Безопасная работа станции требует защиты и контроля радиоактивных материалов.