§ 111. Применение ядерной энергии

Определения и обозначения

Ядерный реактор — устройство, в котором поддерживается управляемая цепная реакция деления ядер. Топливо обеспечивает делящиеся ядра, замедлитель уменьшает скорость нейтронов, а управляющие стержни поглощают их избыток. Теплоноситель забирает тепло из реактора, чтобы его можно было использовать.

Ядерное топливо — материал, ядра которого способны делиться под действием нейтронов; примеры — уран-235 и плутоний-239. При делении выделяется энергия, потому что продукты реакции имеют меньшую суммарную массу, чем исходное ядро и нейтрон. Топливо нужно, чтобы реакция давала тепло.

Атомная электростанция (АЭС) — электростанция, где энергию деления ядер используют для получения электричества. Реактор служит источником тепла, а турбина и генератор превращают его в электрическую энергию. Поэтому АЭС состоит не только из реактора.

Критическое состояние реактора — режим, при котором число нейтронов, вызывающих новые деления, в среднем не меняется. Благодаря этому цепная реакция поддерживается без нарастания или затухания. Регулирование помогает сохранять такой режим при работе реактора.

Как это устроено

Когда нейтрон попадает в подходящее тяжёлое ядро, оно может разделиться на более лёгкие ядра. При этом выделяются энергия и новые нейтроны, которые способны попасть в другие ядра топлива. Так возникает цепная реакция: каждое деление может вызвать следующие. Без регулирования число делений могло бы меняться слишком быстро, поэтому реактор настраивают на устойчивую работу.

Нейтроны, появившиеся при делении, часто движутся слишком быстро для эффективного взаимодействия с некоторыми ядрами топлива. Замедлитель, например вода или графит, уменьшает их скорость при столкновениях. Благодаря этому больше нейтронов может вызвать новые деления, и цепная реакция поддерживается. Управляющие стержни действуют иначе: они поглощают нейтроны, поэтому их введение в активную зону ослабляет реакцию.

Топливо и другие элементы реактора размещены в активной зоне — части, где происходит деление. Теплоноситель проходит через неё и нагревается, потому что переносит энергию от топлива и других нагретых элементов. Затем теплоноситель передаёт энергию дальше, а охладившись, может снова поступить в реактор. Его циркуляция нужна, чтобы отводить тепло и поддерживать рабочий температурный режим.

Для выработки электричества тепло реактора используют, чтобы нагреть воду и получить пар. Пар расширяется и вращает лопатки турбины, поэтому тепловая энергия становится механической энергией вращения. Турбина связана с электрогенератором, в котором вращение приводит к появлению электрического тока. После турбины пар охлаждают и конденсируют, чтобы воду можно было использовать снова.

Ядерная энергия нужна не только для электростанций. Реактор на подводной лодке или ледоколе позволяет долго получать энергию без частой дозаправки обычным топливом, что особенно важно в длительных автономных рейсах. Радиоизотопные источники применяют в приборах и исследованиях, когда нужны компактные источники энергии или излучения. Конкретное применение зависит от того, какой источник и какие свойства излучения требуются.

Элементы ядерного реактора и их функции

Чтобы разобраться в работе реактора, проследи путь нейтронов и тепла: одни элементы влияют на цепную реакцию, другие отводят её энергию. Особенно важно не смешивать назначение замедлителя и управляющих стержней. Таблица показывает, что устойчивость работы зависит от совместного действия всех элементов.

Разбор задач

Преобразования энергии на АЭС

Условие. Назовите преобразования энергии от деления ядер до получения электрического тока. Проследим путь энергии по установке, не пропуская промежуточные звенья.

1. При делении ядер энергия передаётся частицам и веществу реактора; в результате нагревается теплоноситель.
2. Теплоноситель передаёт энергию воде, из которой получают пар. Это этап превращения энергии во внутреннюю энергию пара.
3. Пар вращает турбину, поэтому часть энергии становится механической энергией вращения.
4. Электрогенератор преобразует механическую энергию вращения в электрическую энергию тока.

Ответ. Энергия деления переходит во внутреннюю энергию теплоносителя и пара, затем — в механическую энергию турбины и электрическую энергию генератора. На каждом этапе часть энергии рассеивается, поэтому преобразование не бывает полностью эффективным.

Тепловая мощность реактора

Условие. За секунду происходит 3,0·10¹⁸ делений, при каждом выделяется 200 МэВ. Найдём тепловую мощность, то есть энергию, выделяющуюся за одну секунду. Для расчёта сначала переведём энергию одного деления в джоули.

1. Используем соотношение 1 эВ = 1,602·10⁻¹⁹ Дж. Тогда 200 МэВ = 200·10⁶·1,602·10⁻¹⁹ Дж ≈ 3,2·10⁻¹¹ Дж.
2. Умножаем энергию одного деления на число делений в секунду: P = 3,0·10¹⁸·3,2·10⁻¹¹ Вт.
3. Вычисляем: P ≈ 9,6·10⁷ Вт. Это 96 МВт, так как 1 МВт = 10⁶ Вт.

Ответ. Тепловая мощность реактора составляет примерно 96 МВт. Проверка порядка величины проста: показатель степени равен 18 − 11 = 7, а с учётом коэффициентов результат близок к 10⁸ Вт.

КПД атомной электростанции

Условие. Тепловая мощность реактора равна 3000 МВт, электрическая мощность станции — 1000 МВт. КПД показывает, какая доля подведённой тепловой мощности превращается в полезную электрическую. Значения мощностей уже выражены в одинаковых единицах.

1. Записываем формулу КПД: η = Pэл/Pтепл·100%.
2. Подставляем данные: η = 1000/3000·100%.
3. Выполняем деление: 1000/3000 = 1/3, поэтому η ≈ 33%.

Ответ. КПД преобразования тепловой энергии в электрическую составляет примерно 33%. Это означает, что электрическая мощность равна примерно трети тепловой мощности реактора.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что реактор непосредственно производит электрический ток. Такое представление возникает из-за того, что реактор называют источником энергии станции. На самом деле он нагревает теплоноситель, а ток вырабатывает генератор, вращаемый турбиной. Проверь себя: можешь ли ты назвать между реактором и генератором этапы с паром и турбиной?

Ошибка: путать управляемую цепную реакцию со взрывной. Цепная реакция возможна и в реакторе, но сама по себе она не означает взрыв: её интенсивность регулируют, в частности, поглощающими нейтроны стержнями. Путаница возникает из-за общего упоминания деления ядер. Проверка: объясни, как введение стержней влияет на число нейтронов, вызывающих новые деления.

Ошибка: утверждать, что замедлитель поглощает нейтроны. Замедлитель главным образом уменьшает скорость нейтронов, а их поглощение — основная функция управляющих стержней. Эти элементы можно перепутать, поскольку оба влияют на число нейтронов, доступных для реакции. Проверь себя: замедлитель меняет скорость нейтрона, а стержень уменьшает их количество.

Ошибка: считать, что вся тепловая энергия превращается в электрическую. Часть энергии отводится в окружающую среду, поэтому электрическая мощность меньше тепловой. Заблуждение появляется, если считать турбину и генератор идеальными преобразователями. При проверке расчёта КПД убедись, что отношение электрической мощности к тепловой меньше единицы.

Связь с другими темами

Чтобы понять работу реактора, нужно знать строение атомного ядра, радиоактивность, деление ядер и энергию связи: эти темы объясняют, какие частицы участвуют в реакциях и откуда берётся энергия. Цепная реакция связывает отдельные акты деления в общий процесс. Преобразования энергии на АЭС пригодятся при изучении термодинамики и способов получения электричества. Устройство станции также связано с энергетикой и вопросами безопасности: необходимо учитывать отвод тепла и защиту от радиоактивных веществ.

Что запомнить

• При делении тяжёлых ядер выделяются энергия и нейтроны.
• Нейтроны могут поддерживать цепную реакцию деления.
• В реакторе цепная реакция должна быть управляемой.
• Управляющие стержни поглощают нейтроны и регулируют реакцию.
• На АЭС тепло реактора используют для вращения турбины и генератора.
• Ядерные реакторы применяют также на некоторых судах и в научных исследованиях.