§ 55. Использование энергии деления ядер. Ядерная энергетика

Определения и обозначения

Ядерное топливо — материал, ядра которого способны делиться с выделением энергии. В реакторах важную роль играет уран-235: его ядро может захватить нейтрон и разделиться, высвободив энергию и новые нейтроны. Поэтому топливо служит источником и энергии, и частиц, способных продолжить реакцию.

Цепная ядерная реакция — процесс, при котором нейтроны, появившиеся при делении ядер, вызывают деление других ядер. Каждое новое деление может дать нейтроны для следующего этапа. Понятие помогает понять, как реакция продолжается без отдельного запуска каждого ядра.

Ядерный реактор — устройство, в котором цепная реакция деления поддерживается и регулируется. В нём собраны топливо и элементы, влияющие на движение и поглощение нейтронов. Реактор нужен, чтобы получать тепло с заданной мощностью, а не допускать неуправляемого роста реакции.

Атомная электростанция (АЭС) — электростанция, где энергию деления ядер преобразуют в электрическую. Сначала выделившаяся энергия нагревает теплоноситель, затем пар приводит в движение турбину и генератор. Это определение показывает, что реактор не производит электрический ток напрямую.

Как это устроено

Когда тяжёлое ядро делится, возникают два или несколько более лёгких ядер и несколько нейтронов. Продукты деления связаны между собой сильнее, чем исходные нуклоны в тяжёлом ядре, поэтому суммарная энергия связи возрастает. Разность энергий высвобождается преимущественно как кинетическая энергия осколков и нейтронов, а столкновения этих частиц с веществом превращают её в тепло.

Нейтроны, возникшие при одном делении, разлетаются и могут встретиться с другими делящимися ядрами. Если такие встречи приводят к новым делениям, появляются новые нейтроны и процесс становится цепным. Для устойчивой работы важно не допустить ни затухания реакции, ни слишком быстрого увеличения числа делений, поэтому количество нейтронов, участвующих в продолжении процесса, контролируют.

В реакторе скорость нейтронов регулируют разными способами, потому что нейтроны с подходящей энергией эффективнее вызывают деление некоторых ядер топлива. Замедлитель — вещество, в столкновениях с которым нейтроны теряют часть скорости. Управляющие стержни, напротив, поглощают нейтроны; при их введении в активную зону меньше нейтронов вызывает новые деления, и мощность уменьшается. Изменяя положение стержней, поддерживают нужный режим.

Энергия деления сначала нагревает топливо и окружающие его детали, а теплоноситель уносит тепло из активной зоны реактора. Через теплообменник это тепло передаётся воде, которая превращается в пар. Поток пара вращает турбину, а соединённый с ней генератор вырабатывает электрический ток. Так энергия проходит последовательные превращения: ядерная становится тепловой, затем механической и электрической.

Безопасность нужна потому, что в топливе и продуктах деления есть радиоактивные вещества, а излучение и загрязнение опасны для людей и окружающей среды. Защитные оболочки и биологическая защита препятствуют распространению радиоактивных веществ и излучения. Кроме того, даже после прекращения цепной реакции продукты деления продолжают распадаться и выделять остаточное тепло. Его необходимо отводить, а отработавшее топливо — изолировать и хранить по установленным правилам.

Основные элементы ядерного реактора и их назначение

Таблица показывает, что каждый элемент выполняет отдельную функцию: одни обеспечивают деление и передачу тепла, другие управляют реакцией или защищают окружающую среду. При разборе устройства реактора удобно проследить путь энергии от топлива к теплоносителю. Не следует смешивать назначение замедлителя и управляющих стержней: первый меняет скорость нейтронов, вторые поглощают их.

Разбор задач

Задача 1. При делении одного ядра урана выделяется 200 МэВ. Найдём энергию при делении 3 · 10²⁰ ядер. Сначала переведём энергию одного деления в джоули, используя 1 эВ = 1,6 · 10⁻¹⁹ Дж. Затем умножим её на число делений.

1. Переводим энергию: 200 МэВ = 200 · 10⁶ эВ = 3,2 · 10⁻¹¹ Дж.
2. Умножаем на число делений: E = 3,2 · 10⁻¹¹ · 3 · 10²⁰ = 9,6 · 10⁹ Дж.

Ответ: 9,6 · 10⁹ Дж. Здесь предполагается, что все указанные ядра разделились, а энергия каждого деления одинакова.

Задача 2. Электрическая мощность энергоблока равна 1,0 ГВт, КПД — 0,33. Требуется определить тепловую мощность реактора. КПД показывает, какая доля тепловой мощности превращается в электрическую, поэтому тепловая мощность должна быть больше электрической.

1. Записываем связь мощностей: η = Pэл / Pтепл, откуда Pтепл = Pэл / η.
2. Подставляем значения: Pтепл = 1,0 ГВт / 0,33 ≈ 3,0 ГВт.

Ответ: тепловая мощность составляет примерно 3,0 ГВт. Проверка: 0,33 от 3,0 ГВт — приблизительно 1,0 ГВт электрической мощности.

Задача 3. Энергоблок электрической мощностью 1,0 ГВт работает 24 часа, его КПД равен 0,33, а энергия деления одного ядра — 200 МэВ. Найдём число делений. Сначала определим выработанную электрическую энергию, затем учтём, что для неё требуется большее количество тепловой энергии.

1. Переводим время: t = 24 · 3600 = 86 400 с. Электрическая энергия Eэл = Pэлt = 1,0 · 10⁹ · 86 400 = 8,64 · 10¹³ Дж.
2. Находим тепловую энергию: Eтепл = Eэл / η = 8,64 · 10¹³ / 0,33 ≈ 2,62 · 10¹⁴ Дж.
3. Переводим энергию деления: 200 МэВ = 3,2 · 10⁻¹¹ Дж. Тогда N = Eтепл / Eодного деления ≈ 2,62 · 10¹⁴ / 3,2 · 10⁻¹¹ ≈ 8,2 · 10²⁴.

Ответ: для выработки указанной электрической энергии требуется примерно 8,2 · 10²⁴ делений. Результат оценочный: в расчёте КПД считается постоянным, а энергия одного деления — одинаковой.

Типичные ошибки

Считать, что при делении ядра вся энергия сразу становится электрической, — неверно: сначала она превращается в тепло, затем в механическую энергию турбины и электрическую энергию генератора. Такое упрощение возникает, если не проследить этапы преобразования энергии. Проверьте себя, нарисовав цепочку «деление — нагрев — пар — турбина — генератор».

Замедлитель и управляющие стержни выполняют разные функции: замедлитель снижает скорость нейтронов, а стержни поглощают их. Их легко перепутать, потому что оба элемента влияют на цепную реакцию. Для проверки сформулируйте назначение каждого отдельно: меняет скорость или уменьшает число нейтронов.

Остановка цепной реакции не означает, что тепло выделяться перестало. Продукты деления продолжают распадаться, поэтому после остановки реактора остаётся тепловыделение. Ошибка появляется, когда цепную реакцию и все радиоактивные распады считают одним процессом; проверить себя можно вопросом, нужно ли охлаждать остановленный реактор.

Нельзя считать электрическую и тепловую энергию одинаковыми: часть тепла не превращается в электричество из-за ограниченного КПД. Путаница особенно вероятна, когда в задаче даны мощность и КПД. Проверяйте направление расчёта по формуле η = Pэл / Pтепл: электрическая мощность меньше тепловой, а для перехода к тепловой её делят на КПД.

Связь с другими темами

Для понимания деления нужны знания о составе атомного ядра, изотопах, энергии связи и радиоактивном распаде. Эти понятия объясняют, какие ядра участвуют в реакции и почему при их превращении меняется энергия. Расчёты работы АЭС опираются на закон сохранения энергии, понятия мощности и КПД. Представления о делении и цепной реакции пригодятся при дальнейшем изучении радиоактивности, ядерных реакций и способов получения энергии.

Что запомнить

• При делении тяжёлого ядра выделяется энергия.
• Нейтроны деления могут поддерживать цепную реакцию.
• В реакторе цепную реакцию контролируют.
• Тепло реактора используют для получения пара и вращения турбины.
• Генератор преобразует механическую энергию турбины в электрическую.
• Работа АЭС требует отвода остаточного тепла и безопасного обращения с радиоактивными материалами.