§ 39. Использование энергии атома

Определения и обозначения

Деление тяжёлого атомного ядра — процесс, при котором ядро распадается на более лёгкие ядра с выделением энергии и нескольких нейтронов. Часть массы исходной системы превращается в энергию. Это явление служит основой работы ядерных реакторов.

Цепная ядерная реакция — последовательность делений ядер, поддерживаемая нейтронами, возникающими при предыдущих делениях. Один акт деления может запустить несколько следующих актов. Понятие нужно, чтобы объяснить самоподдерживающееся выделение энергии.

Ядерный реактор — устройство для осуществления управляемой цепной реакции и получения ядерной энергии. В нём регулируют число нейтронов и отводят выделяющееся тепло. Поэтому реактор может работать длительно и безопасно при соблюдении правил.

Атомная электростанция — энергетическая установка, преобразующая энергию ядерной реакции в электрическую. Реактор на станции является источником тепла, но электричество вырабатывает генератор. В состав станции также входят турбина, теплообменники и системы защиты.

Как это устроено

При делении тяжёлого ядра образуются более лёгкие ядра, нейтроны и излучение. Их суммарная масса немного меньше массы исходного ядра и частицы, вызвавшей реакцию. Разность масс превращается в энергию по формуле E = mc², поэтому даже малое уменьшение массы даёт большой результат: скорость света c очень велика.

Свободный нейтрон может попасть в тяжёлое ядро и сделать его неустойчивым. Ядро делится, а несколько новых нейтронов разлетаются и сталкиваются с другими ядрами. Если в среднем хотя бы один такой нейтрон вызывает следующее деление, реакция поддерживается; при большем числе делений она быстро усиливается.

В реакторе цепная реакция должна быть управляемой, потому что слишком быстрое увеличение числа делений приведёт к резкому выделению тепла и повреждению установки. Скорость регулируют стержнями из веществ, поглощающих нейтроны. Их вводят глубже, чтобы замедлить реакцию, или выводят, чтобы увеличить её мощность.

В реакторе энергия деления сначала нагревает теплоноситель, например воду. Теплоноситель передаёт энергию воде в парогенераторе, а пар расширяется и вращает турбину, то есть превращает внутреннюю энергию в механическую. Турбина вращает генератор, в котором механическая энергия превращается в электрическую.

Мирное использование отличается от неуправляемой реакции целью и скоростью процесса: реактор даёт тепло постепенно, а в оружии энергия высвобождается за очень короткое время. Ядерные установки окружают защитой от излучения, снабжают несколькими независимыми системами управления и охлаждения. Даже после остановки цепной реакции нужно отводить остаточное тепло и контролировать состояние топлива.

Сравнение способов использования энергии ядерных реакций

Таблица помогает сравнить не только назначение объектов, но и скорость выделения энергии. Главное различие между реактором и оружием — управляемость процесса. АЭС использует реактор как часть более длинной цепочки превращений энергии.

Разбор задач

Энергия большого числа делений

При одном делении выделяется 200 МэВ, а всего происходит 10²⁰ делений. Сначала нужно перевести энергию одного деления в джоули, потому что число делений безразмерно, а ответ требуется получить в единицах СИ. Используем 1 эВ = 1,6·10⁻¹⁹ Дж.

1. 200 МэВ = 200·10⁶·1,6·10⁻¹⁹ Дж = 3,2·10⁻¹¹ Дж.
2. Умножаем энергию одного деления на число делений: E = 3,2·10⁻¹¹·10²⁰ Дж.
3. Получаем E = 3,2·10⁹ Дж.

Ответ: при 10²⁰ делений выделится 3,2·10⁹ Дж энергии. Большой результат объясняется огромным числом отдельных ядерных процессов. При расчёте нельзя оставлять приставку «Мега» без перевода в степень десяти.

Энергия уменьшения массы

Масса исчезнувшего вещества равна 0,001 г. Для формулы E = mc² массу переводим в килограммы: 0,001 г = 10⁻⁶ кг. Затем подставляем скорость света c = 3·10⁸ м/с.

1. Находим квадрат скорости света: c² = 9·10¹⁶ м²/с².
2. Вычисляем энергию: E = 10⁻⁶·9·10¹⁶ Дж.
3. Получаем E = 9·10¹⁰ Дж.

Ответ: можно получить 9·10¹⁰ Дж. Это эквивалентная энергия полного превращения указанной массы. В реальной реакции исчезает лишь небольшая доля массы, поэтому формулу применяют к фактическому дефекту массы.

Массовый эквивалент энергии АЭС

Электрическая мощность станции Pэл = 1 ГВт, КПД η = 30%, время работы — сутки. Электрическая энергия составляет только 30% выделившейся тепловой энергии, поэтому сначала восстанавливаем полную энергию реакции. Используем t = 24·3600 с и затем формулу m = E/c².

1. Eэл = Pэл·t = 10⁹·86400 = 8,64·10¹³ Дж.
2. E = Eэл/η = 8,64·10¹³/0,30 = 2,88·10¹⁴ Дж.
3. m = 2,88·10¹⁴/(9·10¹⁶) = 3,2·10⁻³ кг = 3,2 г.

Ответ: уменьшение массы, эквивалентное энергии реакции за сутки, равно 3,2 г. Это не масса топлива, израсходованного буквально, а энергетический эквивалент дефекта массы. КПД нужно учитывать до применения формулы E = mc².

Типичные ошибки

Путают управляемую и неуправляемую реакции. Реактор поддерживает ограниченную скорость делений, а оружие рассчитано на стремительное высвобождение энергии. Проверьте себя: указаны ли регулирование нейтронов, постепенное выделение тепла и назначение установки?

Считают, что вся энергия сразу становится электричеством. На станции энергия сначала нагревает теплоноситель, затем приводит в движение турбину и только после этого поступает к генератору. Если в условии дан КПД, полная энергия больше электрической в 1/η раз.

Подставляют граммы в E = mc². Формула требует массу в килограммах, поэтому граммы нужно разделить на 1000. Быстрая проверка: 0,001 г — это 10⁻⁶ кг, а не 10⁻³ кг.

Считают, что после остановки радиоактивность исчезает. Цепная реакция прекращается, но радиоактивные продукты продолжают распадаться и выделять остаточное тепло. Значит, после остановки всё ещё нужны охлаждение, контроль и защита.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны знания о строении ядра, изотопах, радиоактивности и ядерных реакциях. Также пригодятся закон сохранения энергии и формула E = mc², связывающая массу с энергией.

С электричеством тема связана через работу генератора, мощность и КПД. Эти понятия позволяют проследить путь энергии от реактора до электрической сети и оценить потери.

Дальше знания применяются в энергетике, радиационной безопасности и ядерной медицине. Они помогают обсуждать пользу и экологические последствия разных источников энергии.

Что запомнить

• При делении тяжёлых ядер часть массы превращается в энергию.
• Деление ядра может сопровождаться вылетом нескольких нейтронов.
• Цепная реакция поддерживается нейтронами, возникающими при делении ядер.
• В ядерном реакторе цепная реакция протекает управляемо.
• На атомной электростанции ядерная энергия сначала превращается во внутреннюю энергию пара или другого теплоносителя.
• Безопасность ядерных установок требует контроля реакции, охлаждения и защиты от излучения.