§ 59 Ядерный реактор. Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию

Определения и обозначения

Ядерное деление — расщепление тяжёлого атомного ядра на более лёгкие ядра с выделением энергии и новых нейтронов. Такое деление происходит с некоторыми ядрами, например с ядрами урана. Оно является источником тепла в реакторе.

Цепная ядерная реакция — процесс, при котором нейтроны, появившиеся при одном делении, вызывают новые деления ядер. Поэтому реакция может продолжаться без постоянного добавления нейтронов извне. Управление этой цепью позволяет получать нужную мощность.

Ядерный реактор — устройство для управляемого осуществления цепной ядерной реакции и получения тепловой энергии. В нём находятся топливо, замедлитель, теплоноситель и другие элементы. Реактор служит источником тепла для дальнейшей работы электростанции.

Управляющие стержни — элементы реактора, поглощающие нейтроны и регулирующие скорость цепной реакции. Их вводят в активную зону или выводят из неё. Так поддерживают безопасную мощность и при необходимости замедляют реакцию.

Как это устроено

При делении тяжёлого ядра образуются два более лёгких осколка и несколько нейтронов. Масса исходного ядра немного больше суммарной массы осколков и нейтронов, а разность масс соответствует внутренней энергии по соотношению Эйнштейна. Эта энергия превращается главным образом в энергию быстрого движения осколков и нейтронов, а затем при столкновениях — во внутреннюю энергию вещества, то есть в тепло.

Один нейтрон может попасть в другое ядро топлива и вызвать его деление. При этом рождаются новые нейтроны, которые сталкиваются со следующими ядрами, поэтому число актов деления способно быстро расти. Для устойчивой работы нужно, чтобы в среднем только один из образовавшихся нейтронов вызывал новое деление; тогда мощность остаётся постоянной, а не увеличивается бесконтрольно.

Основная часть реактора — активная зона с ядерным топливом, где происходит деление. Теплоноситель отводит выделившееся тепло, а защитный корпус ослабляет излучение и удерживает радиоактивные вещества. Управляющие стержни поглощают лишние нейтроны: если их погрузить глубже, делений станет меньше, а мощность снизится; при извлечении стержней реакция усиливается.

Тепло от активной зоны передаётся теплоносителю, который циркулирует по контуру. Затем в парогенераторе вода получает энергию и превращается в пар высокого давления. Давление и скорость пара нужны для того, чтобы он эффективно действовал на лопатки турбины и поддерживал её вращение.

Турбина соединена с электрическим генератором общим валом. Вращение ротора в магнитном поле создаёт электрический ток, который передаётся по линиям электропередачи потребителям. Преобразование не бывает полностью эффективным: часть энергии рассеивается при нагревании оборудования, охлаждении пара, трении и сопротивлении проводников.

Основные элементы атомной электростанции и преобразование энергии

Таблица показывает путь энергии от ядерного топлива до электрического тока. Читая её сверху вниз, можно восстановить последовательность работы станции; управляющие стержни действуют не как отдельный этап передачи энергии, а как средство регулирования реакции.

Разбор задач

Задача 1. Цепочка превращений энергии

Условие: объяснить последовательность превращений энергии на атомной электростанции — от деления ядер топлива до передачи электроэнергии потребителю.

1. При делении ядер внутренняя энергия ядер переходит в энергию движения осколков и нейтронов.
2. Столкновения частиц нагревают топливо и теплоноситель, поэтому энергия становится внутренней, или тепловой.
3. Тепло превращает воду в пар, пар вращает турбину, а генератор преобразует вращение в электрическую энергию.

Ответ: внутренняя энергия ядер → тепловая энергия → механическая энергия турбины → электрическая энергия генератора → передача потребителю.

Задача 2. КПД атомной электростанции

Условие: тепловая мощность реактора P_тепл = 2400 МВт, электрическая мощность станции P_эл = 800 МВт. Найти КПД станции.

1. Полезным результатом считаем электрическую мощность, а затраченной — тепловую мощность реактора.
2. Используем формулу η = P_эл / P_тепл и подставляем значения: η = 800 / 2400 = ⅓.
3. Переводим результат в проценты: η ≈ 0,333 = 33,3%.

Ответ: КПД станции примерно равен 33%.

Задача 3. Уменьшение мощности реакции

Условие: определить, как изменить положение управляющих стержней, чтобы уменьшить мощность цепной реакции.

1. Нужно уменьшить число нейтронов, способных вызвать новые деления ядер.
2. Для этого управляющие стержни погружают глубже в активную зону.
3. Стержни поглощают часть нейтронов, поэтому новых делений становится меньше и выделяется меньше тепла.

Ответ: стержни следует ввести глубже; мощность уменьшится из-за поглощения нейтронов.

Типичные ошибки

Ошибка 1: считать реактор устройством для неконтролируемого взрыва. Так думают, потому что и реактор, и ядерное оружие используют деление ядер, но условия протекания процессов различны. Проверьте себя: в реакторе есть регулирование нейтронов и отвод тепла.

Ошибка 2: путать ядерное топливо с обычным топливом. Энергия здесь выделяется не при химическом горении, а при изменении атомных ядер. Если в объяснении появляются кислород и пламя, значит, процессы перепутаны.

Ошибка 3: считать, что управляющие стержни ускоряют реакцию. При введении они поглощают нейтроны, поэтому цепь делений ослабевает. Самопроверка проста: больше поглощённых нейтронов — меньше новых актов деления.

Ошибка 4: утверждать, что вся энергия реактора становится электрической. Между реактором и генератором есть нагрев теплоносителя, образование пара, турбина и охлаждение, на каждом этапе возможны потери. Поэтому КПД всегда меньше 100%.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны знания о строении атомного ядра, радиоактивности и ядерных реакциях. Также понадобятся закон сохранения энергии, понятия работы и мощности электрического тока.

Эти сведения пригодятся при изучении энергетики, дозиметрии, устройства атомных электростанций и экологических последствий производства энергии. Они помогают понимать, откуда берётся тепло и как оценивают безопасность.

С понятиями КПД и преобразования энергии реактор связан с темами тепловых машин и электростанций. По одной и той же формуле КПД можно сравнивать разные способы получения электричества.

Что запомнить

• При делении тяжёлых ядер выделяется внутренняя энергия атомных ядер.
• Цепная реакция поддерживается нейтронами, возникающими при делении ядер.
• Ядерный реактор обеспечивает управляемую цепную реакцию.
• Управляющие стержни регулируют реакцию, поглощая нейтроны.
• В реакторе ядерная энергия сначала превращается в тепловую.
• Турбина преобразует энергию пара в механическую энергию вращения.
• Генератор превращает механическую энергию турбины в электрическую.