§ 54. Ядерный реактор. Ядерная энергетика

Определения и обозначения

Цепная ядерная реакция — последовательность делений ядер, при которой нейтроны, появившиеся при одном делении, вызывают новые деления. Она объясняет, как процесс может продолжаться после первого события. Чтобы реакция не затухла и не стала чрезмерно интенсивной, число нейтронов, вызывающих новые деления, нужно контролировать.

Ядерный реактор — установка, в которой цепная реакция деления ядер поддерживается и управляется. В нём создают условия для получения энергии в контролируемом режиме. Реактор нужен как источник тепла для дальнейшего производства электричества.

Ядерное топливо — вещество, ядра которого способны делиться под действием нейтронов; примеры — уран-235 и плутоний-239. Именно его ядра служат местом, где происходят деления. Выделение энергии при этих превращениях делает топливо источником тепла реактора.

Замедлитель нейтронов — материал, уменьшающий скорость нейтронов, чтобы повысить вероятность их захвата делящимися ядрами. Он меняет скорость частиц, но не заменяет управляющие стержни. Это различие помогает понять, почему в реакторе нужны оба элемента.

Как это устроено

При делении тяжёлого ядра образуются более лёгкие ядра, выделяется энергия и появляются несколько нейтронов. Если один из этих нейтронов попадёт в подходящее ядро топлива, он может вызвать следующее деление. Возникает цепная реакция: каждое новое событие способно стать началом нескольких следующих. Поэтому в реакторе используют не отдельное деление, а последовательность процессов.

Для устойчивой реакции в среднем хотя бы один нейтрон от каждого деления должен вызвать следующее деление. Если таких нейтронов становится меньше, реакция постепенно ослабевает; если заметно больше — число делений быстро растёт. Часть нейтронов неизбежно поглощается материалами или покидает активную зону, где находится топливо. Поэтому устройство реактора и его режим работы должны компенсировать эти потери и не допускать неконтролируемого усиления реакции.

Нейтроны, возникающие при делении, могут двигаться слишком быстро для эффективного взаимодействия с некоторыми ядрами топлива. Замедлитель отнимает у них часть энергии при столкновениях и снижает их скорость. Управляющие стержни действуют иначе: их материал поглощает нейтроны, уменьшая число частиц, которые могут вызвать новые деления. Погружая стержни глубже или выдвигая их, можно регулировать интенсивность реакции, а при необходимости остановить её.

Энергия, выделенная при делении ядер топлива, передаётся теплоносителю — веществу, которое отводит тепло от реактора. Нагретый теплоноситель используется для получения пара, потому что горячий пар способен сообщить движение лопаткам турбины. Турбина вращается и приводит в действие электрогенератор. Так энергия ядерных превращений проходит несколько этапов, прежде чем стать электрической энергией.

Атомная электростанция преобразует энергию ядерного топлива в электрическую, а тепловая электростанция получает тепло, сжигая топливо. В обоих случаях тепло в конечном счёте может приводить в движение турбину и генератор, поэтому сравнивают не только количество произведённой электроэнергии, но и расход топлива. Часть тепла при преобразовании не становится электрической энергией, так что для расчётов важен КПД — доля затраченной энергии, превращённая в полезную. При оценке станций также учитывают безопасность и последствия возможных нарушений работы.

Основные части ядерного реактора и их назначение

Читайте таблицу, связывая состав или процесс в среднем столбце с назначением каждой части. Особенно важно не путать замедлитель с управляющими стержнями: первый меняет скорость нейтронов, вторые уменьшают их количество. Вместе эти элементы помогают поддерживать нужный режим и передавать тепло от топлива.

Разбор задач

Задача 1. При делении одного ядра выделяется 200 МэВ энергии. Найдём энергию, выделившуюся при делении 1,0 × 10²⁰ ядер, если 1 эВ = 1,6 × 10⁻¹⁹ Дж. Сначала переведём энергию одного деления в джоули, а затем учтём число делений. Это позволит не смешивать единицы и сразу увидеть общий способ решения.

1. В одном мегаэлектронвольте 10⁶ эВ, поэтому 200 МэВ = 200 × 10⁶ эВ. Переводим в джоули: E₁ = 200 × 10⁶ × 1,6 × 10⁻¹⁹ Дж = 3,2 × 10⁻¹¹ Дж. Здесь E₁ — энергия одного деления.
2. Умножаем энергию одного деления на число делений: E = E₁N = 3,2 × 10⁻¹¹ × 1,0 × 10²⁰ Дж. При умножении степеней десятки показатели складываются, поэтому получаем 3,2 × 10⁹ Дж.

Ответ: 3,2 × 10⁹ Дж. Проверьте порядок величины: энергия одного события мала, но событий очень много. Поэтому общий результат значительно больше энергии одного деления.

Задача 2. Реактор передал теплоносителю 600 МДж энергии за 10 минут. Определим среднюю тепловую мощность. Мощность показывает, сколько энергии передаётся за единицу времени, поэтому используем P = E/t. Перед подстановкой переведём обе величины в СИ.

1. Переводим энергию: 600 МДж = 600 × 10⁶ Дж = 6,0 × 10⁸ Дж. Время переводим в секунды: 10 мин = 10 × 60 с = 600 с. Это необходимо, чтобы результат получить в ваттах.
2. Подставляем значения в формулу: P = E/t = (6,0 × 10⁸ Дж)/(600 с) = 1,0 × 10⁶ Вт. Так как 1 МВт = 10⁶ Вт, получаем 1 МВт.

Ответ: средняя тепловая мощность равна 1 МВт. Проверить вычисление можно обратным действием: мощность, умноженная на 600 секунд, должна дать 6,0 × 10⁸ Дж. Не следует считать минуты без перевода в секунды, если мощность требуется в ваттах.

Задача 3. За сутки электростанция выработала 2,4 × 10¹² Дж электрической энергии. КПД преобразования тепла в электрическую энергию равен 0,30. Найдём, сколько тепловой энергии потребовалось. Электрическая энергия здесь полезная, а тепловая — затраченная.

1. Записываем определение КПД: η = Eпол/Eзатрат. Чтобы найти затраченную энергию, переставляем величины: Eзатрат = Eпол/η. Деление на КПД нужно потому, что полезная энергия составляет только его долю от затраченной.
2. Подставляем данные: Eзатрат = (2,4 × 10¹² Дж)/0,30 = 8,0 × 10¹² Дж. Проверяем: 30% от этой величины составляют 2,4 × 10¹² Дж. Следовательно, расчёт согласуется с условием.

Ответ: потребовалось 8,0 × 10¹² Дж тепловой энергии. Тепловая энергия больше выработанной электрической, поскольку КПД меньше единицы. В подобных задачах важно не умножать полезную энергию на КПД, когда требуется найти затраченную.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что каждый нейтрон обязательно вызывает новое деление. Так рассуждают, представляя цепную реакцию как передачу нейтронов без потерь. На деле нейтроны могут поглощаться другими материалами или покидать активную зону. Проверка: спросите себя, учтены ли потери и почему для устойчивости говорят о среднем числе нейтронов.

Замедлитель иногда путают с управляющими стержнями, потому что оба элемента влияют на нейтроны. Но замедлитель снижает скорость нейтронов, а стержни поглощают их и уменьшают число частиц, способных вызвать деление. Чтобы проверить себя, сформулируйте назначение каждого элемента одним глаголом: замедляет или поглощает. Если ответы совпали, функции перепутаны.

Неверно считать, что энергия в реакторе сразу превращается в электрическую. Это представление пропускает промежуточные этапы и может привести к путанице в описании установки. Сначала энергия деления нагревает теплоноситель, а затем тепло используют для работы турбины и генератора. Проверьте последовательность: теплоноситель — пар — турбина — генератор.

Тепловую мощность станции можно ошибочно принять за электрическую, поскольку обе величины измеряются в ваттах. При преобразовании часть энергии не становится электрической, поэтому мощности связаны через КПД. В задаче проверьте, какая именно мощность дана и какая требуется. Если переходите от тепловой энергии к электрической, используйте КПД, а не приравнивайте величины.

Связь с другими темами

Для понимания реактора нужны знания о строении атомного ядра, протонах и нейтронах, а также о радиоактивности и ядерных превращениях. Энергетические расчёты опираются на закон сохранения энергии, понятия мощности и КПД: мощность связана с энергией и временем формулой P = E/t, а КПД показывает долю полезной энергии. Эти знания позволяют сравнивать преобразования энергии и оценивать работу электростанции. Представления о делении и цепной реакции пригодятся при дальнейшем изучении ядерной физики, радиационной безопасности и способов производства электроэнергии.

Что запомнить

• При делении тяжёлого ядра выделяются энергия и нейтроны.
• Нейтроны могут поддерживать цепную реакцию деления.
• Замедлитель снижает скорость нейтронов.
• Управляющие стержни поглощают нейтроны и регулируют реакцию.
• В реакторе ядерная энергия сначала превращается во внутреннюю энергию теплоносителя.
• На атомной электростанции турбина приводит в действие электрогенератор.