§ 81. Ядерный реактор

Определения и обозначения

Ядерный реактор — установка, в которой управляемая цепная реакция деления ядер поддерживается для получения энергии. Его активная зона содержит топливо и устройства управления. В отличие от взрывного устройства, реактор рассчитан на постепенное выделение и отвод тепла.

Цепная ядерная реакция — процесс, при котором нейтроны, возникающие при делении ядер, вызывают новые деления. Так одна реакция становится источником следующих реакций. Понятие нужно, чтобы объяснить самоподдержание работы реактора.

Замедлитель — вещество, уменьшающее энергию быстрых нейтронов и повышающее вероятность их участия в делении ядер. Нейтроны теряют энергию при столкновениях с ядрами замедлителя. Поэтому состав и свойства этого вещества влияют на эффективность реактора.

Регулирующие стержни — элементы из веществ, поглощающих нейтроны и изменяющих скорость цепной реакции. Их вводят в активную зону частично или полностью. С их помощью мощность увеличивают, уменьшают или быстро останавливают реакцию.

Как это устроено

Ядерное топливо состоит из ядер, способных делиться после захвата нейтрона. При делении тяжёлого ядра образуются осколки, выделяется энергия и вылетают несколько новых нейтронов. Если хотя бы часть этих нейтронов вызывает следующие деления, возникает цепной процесс, а энергия постепенно переходит во внутреннюю энергию топлива.

Число нейтронов нельзя оставлять без контроля: его рост быстро увеличил бы мощность и тепловую нагрузку на детали. В устойчивом, или критическом, состоянии в среднем одно деление вызывает одно новое деление. Если нейтронов слишком мало, реакция затухает, а если слишком много — мощность возрастает, поэтому реактор поддерживают около критического состояния.

Замедлитель нужен потому, что вероятность деления зависит от энергии нейтрона и свойств топлива. Быстрые нейтроны при столкновениях с лёгкими ядрами теряют энергию, после чего могут эффективнее захватываться ядрами некоторых видов топлива. Поэтому важны небольшое поглощение нейтронов замедлителем, его способность отводить тепло и устойчивость при нагревании.

Тепло от делений передаётся топливу, затем теплоносителю, циркулирующему через активную зону. Нагретый теплоноситель отдаёт энергию воде в парогенераторе, где образуется пар. Пар расширяется и вращает турбину, соединённую с электрическим генератором, поэтому энергия ядерных превращений проходит путь от внутренней энергии до электрического тока.

Регулирующие стержни поглощают лишние нейтроны, теплоноситель отводит тепло, а отражатель возвращает часть нейтронов в активную зону и уменьшает их утечку. Защитные оболочки не дают радиоактивным веществам свободно выходить наружу. Вместе эти элементы позволяют управлять реакцией, охлаждать установку и снижать радиационную опасность.

Основные части ядерного реактора и их назначение

Таблица показывает, какую задачу выполняет каждая часть установки и на каком физическом явлении основана её работа. При разборе схемы сначала найдите активную зону и топливо, затем проследите путь нейтронов и тепла. Это помогает не путать элементы, управляющие реакцией, с элементами, передающими энергию.

Разбор задач

Число делений при заданной мощности

Условие: реактор имеет мощность 100 МВт, энергия одного деления равна 200 МэВ. Найдём, сколько делений происходит за одну секунду. Мощность показывает энергию, выделяемую за единицу времени.

1. Переведём величины: 100 МВт = 1·10⁸ Дж/с, 200 МэВ ≈ 3,2·10⁻¹¹ Дж.
2. Используем P = N·E, откуда N = P/E = 1·10⁸/(3,2·10⁻¹¹) ≈ 3,1·10¹⁸ с⁻¹.

Ответ: примерно 3,1·10¹⁸ делений в секунду.

Расход урана-235 за сутки

Условие: реактор мощностью 1 ГВт работает сутки, энергия деления равна 200 МэВ. Сначала определим общее число делений, затем переведём число ядер урана-235 в массу. Считаем, что вся энергия каждого деления учитывается.

1. Энергия за сутки: W = Pt = 10⁹·86400 = 8,64·10¹³ Дж.
2. Число делений: N = W/E = 8,64·10¹³/(3,2·10⁻¹¹) ≈ 2,7·10²⁴.
3. Масса одного моля урана-235 — 235 г, поэтому m = N·235 г/Nₐ, где Nₐ ≈ 6,02·10²³ моль⁻¹.
4. Получаем m ≈ 1,05·10³ г, то есть около 1,05 кг.

Ответ: при заданных идеализированных условиях расходуется примерно 1,05 кг урана-235 за сутки.

Как определить назначение частей схемы

Условие: нужно объяснить роль топлива, замедлителя, теплоносителя и регулирующих стержней. Для решения проследим отдельно цепную реакцию и перенос энергии. Каждый элемент связан с определённым этапом работы реактора.

1. Топливо делится и выделяет энергию, а также создаёт поток новых нейтронов.
2. Замедлитель уменьшает энергию нейтронов, повышая вероятность нужных столкновений с ядрами топлива.
3. Теплоноситель забирает тепло из активной зоны и переносит его к парогенератору.
4. Регулирующие стержни поглощают нейтроны, поэтому изменяют мощность или прекращают цепную реакцию.

Ответ: первые два элемента обеспечивают условия цепной реакции, теплоноситель передаёт её энергию, а стержни управляют скоростью процесса.

Типичные ошибки

Ошибка: считать реактор работающим за счёт неконтролируемого взрыва. Так думают из-за сходства слова «ядерный» и общего источника энергии. Проверка проста: в реакторе мощность регулируется, а тепло непрерывно отводится.

Ошибка: путать замедлитель с регулирующими стержнями. Оба элемента связаны с нейтронами, но замедлитель изменяет их энергию, а стержни поглощают их. Спросите себя, меняется ли скорость нейтронов или их число.

Ошибка: считать, что энергия при делении возникает из ничего. На самом деле масса продуктов деления немного меньше массы исходного ядра, а разность превращается в энергию по соотношению E = mc². Проверить рассуждение можно через закон сохранения энергии.

Ошибка: полагать, что после остановки реакции нагрев сразу исчезает. Радиоактивные продукты деления продолжают распадаться и выделять остаточное тепло. Поэтому остановленный реактор всё равно нуждается в охлаждении.

Связь с другими темами

Для понимания реактора нужны знания о строении атомного ядра, радиоактивности и делении тяжёлых ядер. Закон сохранения энергии объясняет переход уменьшения массы в теплоту.

Цепная реакция связывает эту тему с физикой нейтронов и помогает понять устройство атомных электростанций. Реактор является источником тепла, а турбинная часть работает по принципам тепловых машин.

Дальше знания пригодятся при изучении ядерной энергетики, радиационной безопасности и термоядерного синтеза. Сравнение деления и синтеза показывает два разных способа получения энергии из ядерных процессов.

Что запомнить

• Ядерный реактор поддерживает управляемую цепную реакцию деления ядер.
• Основным источником энергии служит уменьшение массы при делении ядер.
• Замедлитель уменьшает энергию нейтронов и может повышать вероятность новых делений.
• Регулирующие стержни поглощают нейтроны и изменяют скорость реакции.
• Теплоноситель отводит энергию от активной зоны реактора.
• Энергия ядерных превращений преобразуется в тепловую, а затем в электрическую.
• Безопасность обеспечивается системами регулирования, охлаждения и радиационной защиты.