§ 109. Ядерный реактор

Определения и обозначения

Ядерный реактор — устройство, в котором поддерживается управляемая цепная реакция деления ядер. Иначе говоря, в нём создают условия, при которых одни акты деления вызывают следующие, но интенсивность процесса можно регулировать. Это позволяет получать энергию без бесконтрольного роста реакции.

Ядерное топливо — вещество, ядра которого способны делиться под действием нейтронов и выделять энергию. К топливу относятся материалы с подходящими для этого ядрами, например некоторые изотопы урана. Топливо необходимо, потому что именно его деление служит источником энергии реактора.

Замедлитель нейтронов — материал, уменьшающий скорость нейтронов и тем самым повышающий вероятность деления ядер топлива. Быстрые нейтроны при столкновениях с ядрами замедлителя теряют часть энергии. Замедлитель используют там, где медленные нейтроны эффективнее вызывают деление.

Управляющие стержни — стержни из вещества, поглощающего нейтроны; их перемещением регулируют интенсивность цепной реакции. Поглощённый стержнем нейтрон уже не может вызвать новое деление. Поэтому стержни помогают как ослаблять реакцию, так и останавливать её.

Как это устроено

Когда ядро топлива делится, оно распадается на более лёгкие ядра, испускает нейтроны и выделяет энергию. Нейтроны могут встретиться с другими ядрами топлива и вызвать их деление. Так каждое следующее поколение нейтронов способно поддерживать новые акты деления, и возникает цепная реакция. Но она не будет самоподдерживаться, если нейтроны слишком часто покидают активную зону или поглощаются без деления.

Топливо размещают в активной зоне — области реактора, где происходит деление. Его располагают так, чтобы нейтроны, появившиеся при одном акте, могли достигать других ядер топлива. Если топлива мало или оно распределено неподходящим образом, многие нейтроны не вызовут новых делений. Поэтому важны не только свойства топлива, но и устройство активной зоны.

В некоторых реакторах в активной зоне находится замедлитель. Быстрые нейтроны сталкиваются с его ядрами и теряют часть энергии, то есть замедляются. Это нужно потому, что для отдельных видов топлива вероятность вызвать деление у медленного нейтрона выше. Замедлитель меняет скорость нейтронов, но сам по себе не поглощает их так, как это делают управляющие стержни.

Для регулирования числа нейтронов применяют управляющие стержни из поглощающего материала. Когда стержни глубже вводят в активную зону, они перехватывают больше нейтронов, и меньше частиц вызывает новые деления. Поэтому реакция ослабевает; при извлечении стержней больше нейтронов остаётся доступно для продолжения цепи. Изменяя положение стержней, поддерживают необходимую интенсивность реакции.

При делении выделяется энергия, которая нагревает материалы активной зоны. Теплоноситель проходит рядом с топливом, принимает тепло и уносит его к оборудованию, где нагревается вода или получают пар. Пар используют для приведения в действие турбины, соединённой с электрогенератором. Значит, реактор не превращает энергию деления непосредственно в электричество: сначала она становится тепловой.

Основные части ядерного реактора и их назначение

Сначала проследи по таблице путь энергии: топливо выделяет её при делении, а теплоноситель уносит тепло из активной зоны. Затем сравни две роли, связанные с нейтронами: замедлитель меняет их скорость, управляющие стержни уменьшают их число. Такое сопоставление помогает не путать назначение частей реактора.

Разбор задач

Задача 1

В активной зоне реактора нейтрон вызывает деление ядра урана, при котором появляются новые нейтроны. Объясни, почему это может привести к цепной реакции. Чтобы ответить, нужно проследить судьбу нейтронов после первого деления. Цепь продолжится, только если часть из них вызовет новые деления.

1. Первый нейтрон попадает в ядро топлива и вызывает его деление. При этом выделяется энергия и появляются новые нейтроны.
2. Новые нейтроны могут встретить другие ядра топлива. Если они вызывают их деление, появляются следующие нейтроны.
3. Повторение этого процесса образует цепную реакцию. Если нейтроны уходят из активной зоны или поглощаются без деления, цепь может ослабнуть или прекратиться.

Ответ: цепная реакция возникает, если нейтроны одного акта деления вызывают следующие акты деления, при которых рождаются новые нейтроны.

Задача 2

Управляющие стержни постепенно погружают глубже в активную зону. Определи, как изменится число нейтронов, способных вызвать новые деления, и интенсивность реакции. Здесь важно учесть, что стержни не создают нейтроны, а поглощают их. Поэтому нужно связать увеличение глубины погружения с долей нейтронов, остающихся в цепной реакции.

1. При более глубоком погружении стержни находятся в активной зоне на большем участке. Значит, они могут перехватить больше нейтронов.
2. После поглощения стержнем нейтрон уже не вызовет деление ядра топлива. Число нейтронов, доступных для новых делений, уменьшится.
3. Из-за этого будет происходить меньше последующих делений за то же время. Следовательно, интенсивность цепной реакции снизится.

Ответ: число нейтронов, способных вызвать новые деления, уменьшится, а реакция ослабнет.

Задача 3

За время работы реактор передал теплоносителю 6,0 · 10⁹ Дж энергии. За это время произошло 2,0 · 10²⁰ актов деления. Найди среднюю энергию, переданную теплоносителю при одном акте. Искомая величина показывает, какая доля общей энергии приходится в среднем на один акт деления. Для этого общую энергию нужно разделить на число актов.

1. Запишем связь величин: средняя энергия на один акт равна общей переданной энергии, делённой на число актов, то есть ε = E/N.
2. Подставим данные: ε = (6,0 · 10⁹ Дж) / (2,0 · 10²⁰). Коэффициенты дают 6,0 / 2,0 = 3,0, а при делении степеней десяти показатели вычитаются: 9 − 20 = −11.
3. Получаем ε = 3,0 · 10⁻¹¹ Дж. Единица измерения — джоуль, так как энергия делится на число актов, которое является безразмерным счётом.

Ответ: в среднем теплоносителю передавалось 3,0 · 10⁻¹¹ Дж на один акт деления.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что цепная реакция обязательно будет самоподдерживаться при любых условиях. Так думают, потому что при делении действительно появляются новые нейтроны, но забывают об их потерях. Нейтроны могут покинуть активную зону или поглотиться без деления. Проверка: проследи, может ли каждое поколение нейтронов вызвать достаточно новых актов деления.

Ошибка: путать замедлитель с управляющими стержнями. Оба элемента влияют на нейтроны, поэтому их назначение легко смешать. Замедлитель уменьшает скорость нейтронов, а стержни поглощают часть из них. Проверка: спроси себя, меняется ли скорость частицы или уменьшается количество нейтронов, участвующих в реакции.

Ошибка: считать, что управляющие стержни создают нейтроны. Путаница возникает из-за того, что от положения стержней зависит интенсивность реакции. На самом деле они удаляют часть нейтронов из процесса, поглощая их. Проверка: при погружении стержней реакция ослабевает именно потому, что нейтронов для новых делений становится меньше.

Ошибка: отождествлять энергию деления с электрической энергией на выходе станции. При делении выделяется энергия, но она сначала нагревает материалы и теплоноситель. Затем тепло используют для получения пара, а с его помощью вырабатывают электричество. Проверка: перечисли промежуточные этапы превращения энергии, прежде чем называть результат электрической энергией.

Связь с другими темами

Чтобы понять работу реактора, нужно знать строение атомного ядра, деление тяжёлых ядер и роль нейтронов в ядерных реакциях. Далее тема связывается с законом сохранения энергии: энергия не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Нагрев теплоносителя, получение пара и производство электричества показывают превращения энергии, знакомые по изучению тепловых машин и электростанций. Эти знания пригодятся при разборе атомной энергетики, радиационной безопасности и способов получения электроэнергии.

Что запомнить

• Ядерный реактор поддерживает управляемую цепную реакцию деления.
• При делении ядер выделяется энергия и появляются новые нейтроны.
• Замедлитель уменьшает скорость нейтронов.
• Управляющие стержни поглощают нейтроны и регулируют интенсивность реакции.
• Теплоноситель отводит тепло из активной зоны.
• Тепловая энергия реактора может быть преобразована в электрическую.