"Физика", Перышкин А.В., Гутник Е.М.
Атомная энергетика использует энергию, которая выделяется при ядерных реакциях, чтобы получать электричество и тепло. На атомной электростанции деление тяжёлых ядер нагревает теплоноситель, а затем пар вращает турбину, связанную с генератором. Чтобы выработка энергии была устойчивой, цепную реакцию поддерживают и регулируют в ядерном реакторе. Поэтому для работы АЭС нужны не только топливо, но и системы охлаждения, управления и радиационной защиты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атомная энергетика — использование энергии, выделяющейся при ядерных реакциях, для получения электрической и тепловой энергии. Иными словами, энергия атомных ядер превращается в полезные для людей виды энергии. Это понятие охватывает работу электростанций, где тепло реактора используют для выработки электричества.
Деление ядра — распад тяжёлого атомного ядра на более лёгкие ядра с выделением энергии и нескольких нейтронов. Так может делиться, например, ядро урана. Понимание этого процесса объясняет, откуда в реакторе берутся тепло и нейтроны, необходимые для продолжения реакции.
Цепная ядерная реакция — процесс, при котором нейтроны, образовавшиеся при делении ядер, вызывают новые деления. Каждое новое деление может дать энергию и нейтроны для следующего поколения реакций. Это понятие помогает описать, как ядерный процесс поддерживает себя.
Ядерный реактор — установка, в которой цепная ядерная реакция поддерживается и управляется. Внутри реактора выделяется тепло, но скорость реакции не должна расти бесконтрольно. Поэтому реактор нужен не только для получения энергии, но и для контроля над её выделением.
При делении тяжёлого ядра продукты реакции имеют немного меньшую суммарную массу, чем исходное ядро и частицы, вступившие в реакцию. Разница не исчезает: согласно закону сохранения энергии, она превращается в энергию движения частиц и излучения, а затем — в тепло. У тяжёлых ядер таких делений происходит очень много, поэтому даже небольшое количество топлива может выделить значительную энергию. Именно это делает ядерное топливо эффективным источником тепла.
Деление ядра урана выпускает нейтроны, которые могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. Так один акт запускает новые, а те — следующие: возникает цепная реакция. Чтобы процесс оставался управляемым, в среднем должно сохраняться примерно одинаковое количество нейтронов, способных вызвать деление, от одного поколения к следующему. Если таких нейтронов становится меньше, реакция затухает; если больше — ускоряется.
В реакторе ядерное топливо служит источником делений, а замедлитель уменьшает скорость нейтронов, чтобы они эффективнее вызывали новые реакции. Теплоноситель принимает тепло топлива и переносит его к устройствам, где получают пар или нагревают воду второго контура. Управляющие стержни поглощают часть нейтронов: их положение позволяет менять мощность и при необходимости останавливать реакцию. Все эти элементы помещены в защитные конструкции, которые ограничивают распространение излучения и радиоактивных веществ.
На атомной электростанции тепло реактора передаётся воде, и в результате образуется пар. Поток пара вращает турбину, то есть тепловая энергия становится механической энергией вращения. Турбина приводит в действие генератор, который производит электрический ток. Таким образом, электричество получается не непосредственно из ядер, а через последовательное преобразование энергии.
Реактору нужны меры безопасности, потому что ионизирующее излучение и радиоактивные вещества могут причинить вред. Системы управления ограничивают мощность, а системы охлаждения отводят тепло не только во время работы, но и после остановки: радиоактивные продукты деления продолжают нагревать топливо. Защитные оболочки и контроль помогают удерживать опасные вещества внутри установленных границ. Отходы требуют отдельного безопасного хранения, поскольку некоторые из них долго остаются радиоактивными.
| Режим реакции | Соотношение числа нейтронов | Изменение мощности | Практическое значение |
|---|---|---|---|
| Затухающая реакция | Каждое поколение нейтронов вызывает меньше делений, чем предыдущее | Мощность уменьшается | Реактор останавливается |
| Стационарная реакция | Число нейтронов в поколениях примерно одинаково | Мощность постоянна | Нормальный режим работы реактора |
| Развивающаяся реакция | Каждое поколение вызывает больше делений, чем предыдущее | Мощность быстро возрастает | Требуется срочное регулирование и прекращение реакции |
Сравнивайте в таблице число нейтронов, которые участвуют в новых делениях, а не просто общее количество частиц в реакторе. Если оно примерно не меняется, реакция стационарна и мощность сохраняется. Рост мощности требует вмешательства, а при затухании реакция постепенно прекращается.
Задача 1. При делении ядер 1 г урана выделяется удельная энергия 8,2·10¹³ Дж/кг. Определите выделившуюся энергию. Удельная энергия показывает, сколько энергии приходится на один килограмм топлива. Поэтому сначала нужно выразить массу в килограммах.
Ответ: выделится 8,2·10¹⁰ Дж энергии. Проверка единиц даёт джоули: Дж/кг умножили на кг. Ошибка в тысячу раз возможна, если подставить массу в граммах, не переведя её в килограммы.
Задача 2. Электрическая мощность станции равна 1,0 ГВт, а КПД — 35%. Найдём тепловую мощность реактора. КПД — доля подведённой тепловой мощности, которая превращается в электрическую, поэтому Pэл = ηPтепл. Электрическая мощность меньше тепловой, значит результат должен быть больше 1,0 ГВт.
Ответ: тепловая мощность реактора примерно 2,9 ГВт. Делить нужно на КПД, а не умножать на него: станция теряет часть полученной энергии при преобразовании. Результат согласуется с тем, что тепловая мощность должна быть больше электрической.
Задача 3. За сутки станция выработала 2,4·10¹⁵ Дж электрической энергии. Её КПД равен 30%, а при делении 1 кг топлива выделяется 8,0·10¹³ Дж. Требуется найти массу израсходованного топлива. Сначала восстановим полную тепловую энергию, поскольку электрическая составляет только часть от неё.
Ответ: за сутки израсходовано 100 кг топлива. Сначала учтён КПД, а уже затем применена удельная энергия топлива. Проверка: при КПД 30% электрическая энергия должна быть заметно меньше тепловой.
Первая ошибка — считать ядерную энергию химической. Её допускают, потому что в обоих случаях речь идёт о превращениях вещества, но при химической реакции меняются электронные оболочки атомов, а при делении — сами ядра. Проверка: если описано деление ядра и образование новых ядер, речь идёт о ядерном процессе.
Вторая ошибка — полагать, что цепная реакция обязательно становится неуправляемой. Так думают, представляя только быстрое размножение делений, но в реакторе нейтроны поглощают управляющие стержни. Проверить понимание можно вопросом: как удерживается примерно постоянным число нейтронов от поколения к поколению? Ответ — регулированием реакции.
Третья ошибка — забывать об остаточном тепле после остановки реактора. Цепную реакцию прекращают, и потому кажется, что источник нагрева исчез, но продукты деления продолжают радиоактивно распадаться. Для самопроверки спросите, нужно ли отводить тепло сразу после остановки: да, охлаждение продолжают.
Четвёртая ошибка — путать тепловую мощность реактора с электрической мощностью станции. Часто КПД воспринимают как несущественную поправку, хотя часть энергии не превращается в электричество. Проверяйте расчёт соотношением η = Pэл/Pтепл: при КПД меньше единицы тепловая мощность должна быть больше электрической.
Для понимания атомной энергетики нужны знания о строении атомного ядра, изотопах и радиоактивности. Закон сохранения энергии помогает проследить превращения, а работа тепловой машины — объяснить, почему нагретый пар может вращать турбину. Так ядерная физика связывается с устройством электростанций, турбин и генераторов.
Дальше эти знания пригодятся при изучении радиационной безопасности, энергетики и экологических последствий получения электричества. Понимание различий между делением и другими ядерными процессами также помогает обсуждать перспективы термоядерного синтеза. Во всех этих темах важно оценивать и источник энергии, и способы управления его использованием.
Почему при делении ядра выделяется так много энергии?
После деления суммарная масса образовавшихся частиц немного меньше массы исходного ядра. Разница превращается в энергию по соотношению между массой и энергией. Поэтому ядерная реакция может дать гораздо больше энергии, чем химическая реакция такого же количества вещества.
Как регулируют скорость цепной реакции в реакторе?
В реактор вводят или выводят управляющие стержни, которые поглощают нейтроны. Если поглощать больше нейтронов, новых делений становится меньше; если меньше — больше нейтронов поддерживает реакцию. Так мощность можно удерживать на нужном уровне или остановить реакцию.
Чем атомная электростанция отличается от тепловой?
Главное отличие — источник тепла: на АЭС оно выделяется при делении ядер, а на обычной тепловой электростанции — при сжигании топлива. Дальше принцип похож: тепло превращает воду в пар, пар вращает турбину, а генератор вырабатывает электрический ток.
Почему остановленный реактор всё ещё нужно охлаждать?
После прекращения цепной реакции в топливе продолжаются распады радиоактивных продуктов деления, и они выделяют остаточное тепло. Если его не отводить, температура топлива может опасно повыситься. Поэтому охлаждение необходимо и после остановки реактора.
Опасна ли атомная энергетика при нормальной работе станции?
При нормальной работе реактор окружён защитными системами, которые удерживают радиоактивные вещества и ограничивают воздействие излучения. Однако риск нельзя считать нулевым: нужны постоянный контроль, исправное оборудование и подготовленный персонал. Отдельная задача — безопасное обращение с радиоактивными отходами.
§ 60 Атомная энергетика
