52. Атомная энергетика

Определения и обозначения

Деление тяжёлого ядра — распад ядра, например урана, на более лёгкие ядра с выделением энергии и нескольких нейтронов. При этом изменяется состав атомного ядра, а не происходит химическое сгорание вещества. Это понятие помогает отличать ядерный источник энергии от обычного топлива.

Цепная ядерная реакция — процесс, при котором нейтроны, появившиеся при делении ядер, вызывают новые деления. Каждое новое деление может породить следующие нейтроны и продолжить процесс. Понятие нужно, чтобы объяснить, как реакция способна поддерживаться.

Ядерный реактор — устройство, в котором цепная ядерная реакция поддерживается и управляется. В нём используют специальные материалы и механизмы, влияющие на нейтроны. Реактор нужен для того, чтобы получать энергию от реакции и контролировать её ход.

Атомная электростанция — электростанция, где тепло, выделяющееся в ядерном реакторе, используют для выработки электрической энергии. Тепло превращают в движение пара и турбины, а затем — в электрический ток. Это определение показывает, что реактор вырабатывает тепло, а для получения электричества требуется ещё оборудование станции.

Как это устроено

При делении тяжёлого ядра образуются более лёгкие ядра и частицы. Их суммарная масса оказывается меньше массы исходного ядра, и эта разность не исчезает: она превращается в энергию. Поэтому источник энергии здесь — изменение атомного ядра, а не химическая реакция между веществами.

Нейтроны, появившиеся при делении, могут попасть в другие тяжёлые ядра и вызвать их распад. Так возникают новые нейтроны, и процесс способен продолжаться как цепная реакция. Для её поддержания важно, сколько нейтронов сохраняется и насколько вероятно, что они вызовут очередные деления.

В реакторе замедлитель снижает скорость нейтронов. Это нужно потому, что нейтроны с подходящей скоростью эффективнее вызывают деление определённых ядер топлива. Управляющие стержни, напротив, поглощают нейтроны: перемещая их, можно менять число нейтронов, участвующих в реакции, и тем самым регулировать её интенсивность.

Тепло возникает в активной зоне реактора, где находится ядерное топливо и происходит деление. Теплоноситель проходит через эту зону и уносит энергию, чтобы отвести тепло и передать его воде. В результате вода превращается в пар, который вращает турбину, соединённую с электрическим генератором.

Реактор работает с радиоактивными веществами и выделяет тепло, поэтому станции нужны защита от ионизирующего излучения и надёжная система охлаждения. Если отвод тепла нарушится, температура оборудования может опасно возрасти, даже когда электричество не вырабатывается. Радиоактивные отходы также требуют безопасного хранения, чтобы ограничить воздействие излучения на людей и окружающую среду.

Основные части ядерного реактора и их функции

Таблица показывает, что элементы реактора выполняют разные задачи: одни участвуют в реакции, другие управляют нейтронами или переносят тепло. Проследи по строкам путь от ядерного топлива к отводу энергии. Так легче не путать замедлитель, управляющие стержни и теплоноситель.

Разбор задач

Задача 1. При делении одного ядра урана выделилось 200 МэВ энергии. Выразите эту энергию в джоулях, используя 1 эВ = 1,6·10⁻¹⁹ Дж. Сначала переведём мегаэлектронвольты в электронвольты: приставка «мега» означает 10⁶. Затем умножим полученное число на энергию одного электронвольта в джоулях.

1. Переведём энергию: 200 МэВ = 200·10⁶ эВ = 2·10⁸ эВ.
2. Подставим значение в джоулях: E = 2·10⁸·1,6·10⁻¹⁹ Дж.
3. Перемножим числа и степени десяти: E = 3,2·10⁻¹¹ Дж.

Ответ: 3,2·10⁻¹¹ Дж. Маленькое значение в джоулях относится к одному делению; при большом числе делений энергия складывается.

Задача 2. В реакторе за один промежуток времени произошло 1000 делений ядер, каждое из которых высвободило 200 МэВ. Найдём суммарную энергию. Сначала используем результат перевода из предыдущего примера, а затем умножим энергию одного события на число делений. Здесь предполагается, что энергия каждого деления одинакова.

1. Энергия одного деления: E₁ = 3,2·10⁻¹¹ Дж.
2. Запишем сумму для 1000 делений: E = 1000·E₁.
3. Вычислим: E = 10³·3,2·10⁻¹¹ Дж = 3,2·10⁻⁸ Дж.

Ответ: 3,2·10⁻⁸ Дж. При подсчёте важно умножать на количество делений, а не делить на него.

Задача 3. Мощность реактора равна 900 МВт, а мощность, передаваемая электрогенератору, — 300 МВт. Определим долю тепловой мощности, превращённую в электрическую. Для этого сравним полезную электрическую мощность с исходной тепловой. Единицы уже одинаковы, поэтому переводить мегаватты не требуется.

1. Найдём отношение: η = 300 МВт / 900 МВт = 1/3.
2. Чтобы выразить долю в процентах, умножим её на 100%: η = 1/3·100% ≈ 33,3%.

Ответ: около 33,3%. Остальная часть тепловой энергии не становится электрической, поэтому мощность генератора меньше тепловой мощности реактора.

Типичные ошибки

Считать, что энергия реактора выделяется из-за обычного химического горения топлива. Эту ошибку допускают, потому что в быту электричество часто связывают с сжиганием топлива. Проверь себя: при делении изменяются ядра атомов, а не происходит химическая реакция горения.

Путать замедлитель и управляющие стержни. Оба элемента связаны с нейтронами, поэтому их функции легко смешать. Для проверки вспомни глаголы: замедлитель замедляет нейтроны, а стержни поглощают их.

Полагать, что цепная реакция всегда сама собой ускоряется. Нейтроны действительно могут запускать новые деления, но их число регулируют, в частности, управляющими стержнями. Проверь себя вопросом: можно ли изменить интенсивность реакции, поглощая часть нейтронов? Да, поэтому реактором управляют.

Считать, что вся энергия реактора превращается в электрическую. Так кажется, если не учитывать этапы передачи и преобразования энергии на станции. Сравни тепловую мощность реактора с электрической мощностью: если величины различаются, часть тепла не превратилась в электрическую энергию.

Связь с другими темами

Для понимания атомной энергетики нужны знания о строении атомного ядра, радиоактивности и ядерных реакциях. Закон сохранения энергии помогает проследить, как энергия деления переходит в тепло и затем в электричество. Поэтому тема связывает ядерную физику с изучением электростанций и превращений энергии.

Оценка эффективности энергетической установки требует сравнить полезную электрическую мощность с тепловой мощностью. Представления о делении ядер и цепной реакции пригодятся при дальнейшем изучении ядерной физики и способов получения энергии. Они также помогают понимать, почему управление реакцией и отвод тепла важны для работы станции.

Что запомнить

• При делении тяжёлых ядер выделяется энергия.
• Нейтроны деления могут вызывать новые деления ядер.
• Цепную реакцию в реакторе поддерживают и контролируют.
• Замедлитель уменьшает скорость нейтронов.
• Управляющие стержни поглощают нейтроны.
• На атомной электростанции тепло реактора используют для получения пара и вращения турбины.
• Электрическая мощность станции меньше тепловой мощности реактора.