5. Ядерная энергетика

Определения и обозначения

Ядерное деление — распад тяжёлого атомного ядра на более лёгкие ядра. Например, уран-235 после поглощения нейтрона может разделиться, выделив энергию и несколько новых нейтронов. Деление важно для ядерной энергетики, потому что позволяет получать тепло из топлива.

Цепная ядерная реакция — процесс, при котором нейтроны одного деления вызывают деление других ядер. Новые деления порождают следующие нейтроны, поэтому процесс способен продолжаться. Это понятие помогает понять, как реакция поддерживается без отдельного запуска каждого события.

Критическая масса — минимальное количество делящегося вещества, при котором в данных условиях реакция может поддерживать себя. Если вещества мало, многие нейтроны покидают его или поглощаются без деления, и цепочка затухает. Понятие объясняет, почему размер и устройство активной зоны имеют значение.

Ядерный реактор — устройство, в котором цепную реакцию деления поддерживают и контролируют для получения энергии. В нём топливо выделяет тепло, а специальные элементы помогают управлять нейтронами и отводить тепло. Реактор нужен для контролируемого использования ядерной энергии.

Как это устроено

При делении тяжёлого ядра возникают более лёгкие ядра, у которых суммарная энергия связи больше. Энергия связи показывает, насколько прочно частицы удерживаются в ядре; рост её суммарного значения означает, что продуктам реакции соответствует меньше энергии. Разность энергий высвобождается, а масса продуктов становится меньше исходной на Δm. Эта разность превращается в энергию согласно E = Δmc², поэтому даже небольшому изменению массы соответствует заметная энергия.

Цепная реакция начинается, когда ядро урана поглощает нейтрон и становится неустойчивым. Оно делится на фрагменты и испускает новые нейтроны, которые могут попасть в другие ядра топлива. Если в среднем хотя бы один нейтрон от каждого деления вызывает следующее деление, реакция может продолжаться. Часть нейтронов неизбежно теряется, поэтому состав и размеры активной зоны подбирают так, чтобы компенсировать эти потери.

Нейтроны после деления часто движутся слишком быстро, чтобы эффективно вызывать деление урана-235. Замедлитель, например вода, снижает их скорость при столкновениях с лёгкими ядрами. Управляющие стержни изготовлены из веществ, хорошо поглощающих нейтроны: выдвигая их из активной зоны, уменьшают поглощение, а вводя глубже — ослабляют реакцию. Так реактор удерживают на требуемой мощности или останавливают.

В атомной электростанции энергия деления сначала нагревает топливо и окружающий его теплоноситель. Тепло передают воде, из которой получают пар; в некоторых схемах это происходит через отдельный теплообменник. Пар расширяется и вращает турбину, а турбина приводит в движение генератор. В генераторе механическая энергия вращения преобразуется в электрическую, которую затем передают потребителям.

Ядерное топливо обладает высокой энергоёмкостью: небольшая его масса может дать много энергии. При обычной работе АЭС выбросы продуктов сгорания топлива в атмосферу малы, поскольку электричество получают не сжиганием угля или газа. Однако радиоактивные отходы требуют учёта, защиты и длительного безопасного хранения. Нужны также надёжные системы безопасности, поскольку авария может привести к распространению радиоактивных веществ.

Основные элементы ядерного реактора и их функции

Используй таблицу, чтобы проследить путь от деления топлива до отвода тепла и выделить элементы, управляющие нейтронами. Замедлитель и управляющие стержни действуют по-разному: первый изменяет скорость нейтронов, вторые уменьшают их количество. Защитная оболочка служит барьером, а не источником энергии.

Разбор задач

Задача 1. При делении одного ядра выделяется около 200 МэВ. Оценим энергию при делении 1,0 · 10²⁰ ядер. Сначала переведём энергию одного деления в джоули, а затем умножим на количество делений.

1. Переводим: 200 МэВ = 200 · 10⁶ эВ, а 1 эВ = 1,602 · 10⁻¹⁹ Дж.
2. Получаем энергию одного деления: 200 · 10⁶ · 1,602 · 10⁻¹⁹ ≈ 3,2 · 10⁻¹¹ Дж.
3. Умножаем на число ядер: E ≈ 3,2 · 10⁻¹¹ · 1,0 · 10²⁰ = 3,2 · 10⁹ Дж.

Ответ: выделится примерно 3,2 · 10⁹ Дж. Это оценка, поскольку энергия отдельного деления немного различается.

Задача 2. Дефект массы составляет 0,20 г, скорость света равна 3,0 · 10⁸ м/с. Найдём энергию по формуле E = Δmc². Перед подстановкой переведём массу в килограммы, чтобы получить энергию в джоулях.

1. Переводим массу: Δm = 0,20 г = 2,0 · 10⁻⁴ кг.
2. Подставляем значения: E = 2,0 · 10⁻⁴ · (3,0 · 10⁸)².
3. Возводим скорость в квадрат и умножаем: E = 2,0 · 10⁻⁴ · 9,0 · 10¹⁶ = 1,8 · 10¹³ Дж.

Ответ: выделившаяся энергия равна 1,8 · 10¹³ Дж. Проверка единиц показывает, что килограмм, умноженный на квадрат скорости, даёт джоуль.

Задача 3. Электрическая мощность реактора — 1,0 ГВт, время работы — сутки, КПД станции — 35%, энергия одного деления — 200 МэВ. Найдём число делений и массу урана-235. Сначала определим произведённую электрическую энергию, а затем учтём, что для неё требуется больше тепловой энергии.

1. Сутки — 86400 с, поэтому Eэл = Pэлt = 1,0 · 10⁹ · 86400 = 8,64 · 10¹³ Дж.
2. При КПД η = 0,35 энергия деления равна Eтепл = Eэл/η ≈ 2,47 · 10¹⁴ Дж.
3. Энергия деления одного ядра: 200 МэВ ≈ 3,2 · 10⁻¹¹ Дж. Тогда N ≈ 2,47 · 10¹⁴ / 3,2 · 10⁻¹¹ ≈ 7,7 · 10²⁴ ядер.
4. Масса одного ядра урана-235 примерно равна 235 · 1,66 · 10⁻²⁷ ≈ 3,9 · 10⁻²⁵ кг. Значит, m ≈ 7,7 · 10²⁴ · 3,9 · 10⁻²⁵ ≈ 3,0 кг.

Ответ: за сутки произойдёт примерно 7,7 · 10²⁴ делений, будет израсходовано около 3,0 кг урана-235. Оценка предполагает, что каждое ядро учтённого топлива делится.

Типичные ошибки

Ошибочно говорить, что энергия возникает из ничего. Так думают, потому что в обычном опыте изменение массы незаметно; при делении энергия связана с разностью энергий связи и дефектом массы. Проверка: запиши E = Δmc² и убедись, что масса продуктов реакции меньше исходной.

Цепную реакцию иногда путают с одним актом деления. Само деление даёт энергию и нейтроны, но без нейтронов, вызывающих следующие деления, процесс не продолжится. Проверь себя вопросом: описано ли в объяснении, откуда берутся новые деления после первого?

Управляющим стержням ошибочно приписывают усиление реакции. Такое впечатление может возникнуть из-за того, что стержни механически перемещают внутри реактора, но их материал поглощает нейтроны. Проверка простая: больше поглощённых нейтронов означает меньше возможностей для новых делений, то есть реакция ослабевает.

Реактор не следует считать всей электростанцией. Поскольку в нём выделяется основная энергия процесса, его могут ошибочно отождествлять с устройством, которое сразу выдаёт электричество. Проверь цепочку преобразований: реактор нагревает теплоноситель, пар вращает турбину, а генератор производит ток.

Связь с другими темами

Для понимания ядерной энергетики нужны знания о строении атомного ядра, протонах, нейтронах и радиоактивности. Закон сохранения энергии помогает проследить превращения от ядерного деления до электрического тока. Формула E = mc² связывает дефект массы с энергетическим выходом ядерной реакции. Понимание работы реактора, турбины и генератора пригодится при сравнении способов получения электричества и обсуждении энергетики.

Что запомнить

• При делении тяжёлых ядер выделяется энергия.
• Нейтроны деления могут поддерживать цепную реакцию.
• Для самоподдерживающейся реакции необходимо достаточное количество делящегося вещества.
• Замедлитель и управляющие стержни помогают регулировать реакцию.
• В реакторе энергия деления сначала превращается во внутреннюю энергию теплоносителя.
• На электростанции турбина и генератор преобразуют энергию пара в электрическую.
• Преимущества ядерной энергетики нужно рассматривать вместе с вопросами безопасности и обращения с радиоактивными отходами.