§ 82. Ядерная энергетика

Определения и обозначения

Ядерная энергетика — получение электрической и тепловой энергии за счёт ядерных превращений, главным образом деления тяжёлых ядер. Она позволяет использовать энергию атомного ядра как источник для промышленности и быта. Смысл темы — проследить путь энергии от ядра до электрического тока.

Цепная ядерная реакция — самоподдерживающаяся реакция деления ядер, при которой нейтроны одного поколения вызывают деление ядер следующего поколения. Так процесс не ограничивается одним актом деления, а может продолжаться во времени. Понятие нужно, чтобы объяснить работу реактора и регулирование его мощности.

Ядерный реактор — устройство, в котором цепная реакция деления ядер протекает управляемо и сопровождается выделением энергии. В нём размещают топливо и системы, управляющие нейтронами и отводящие тепло. Поэтому реактор является источником тепловой энергии, а не готового электрического тока.

Атомная электростанция — энергетическая установка, преобразующая энергию ядерного топлива в электрическую энергию. На станции реактор выполняет роль источника теплоты, а турбина и генератор превращают эту теплоту сначала в механическую, затем в электрическую энергию. Так различаются собственно реактор и вся энергетическая установка.

Как это устроено

При делении тяжёлого ядра образуются два осколка и несколько нейтронов. Суммарная масса продуктов меньше массы исходного ядра, потому что часть массы соответствует энергии связи и переходит в энергию движения осколков и излучения. По формуле E = mc² даже небольшой дефект массы даёт значительную энергию, так как c² имеет огромное значение.

Вылетевшие нейтроны могут попасть в другие ядра топлива и вызвать их деление. Поэтому появляются новые нейтроны, которые продолжают процесс в следующем поколении. Если обозначить коэффициент размножения через k, то при k = 1 число нейтронов сохраняется, при k < 1 реакция затухает, а при k > 1 усиливается.

В активной зоне реактора находится ядерное топливо, где выделяется теплота. Замедлитель уменьшает скорость быстрых нейтронов, потому что для некоторых ядер медленные нейтроны с большей вероятностью вызывают деление. Теплоноситель забирает энергию у топлива, а управляющие стержни поглощают часть нейтронов и изменяют k.

Теплоноситель переносит энергию из активной зоны к парогенератору или непосредственно к контуру, где образуется пар. Пар под давлением действует на лопатки турбины и заставляет её вращаться. Вал турбины соединён с генератором, поэтому механическое вращение преобразуется в электрический ток.

Безопасность необходима потому, что цепная реакция и радиоактивные продукты требуют постоянного контроля. Даже после остановки реакции продукты деления продолжают распадаться и выделять остаточное тепло. Поэтому системы станции должны управлять реакцией, поддерживать охлаждение и изолировать радиоактивные вещества и отходы.

Основные элементы и процессы атомной электростанции

Таблицу удобно читать слева направо: каждый элемент выполняет свою функцию и создаёт условие для следующего этапа. Цепочка начинается с деления ядер, а заканчивается выработкой электрической энергии. При разборе схемы станции нужно отличать источник теплоты от устройств её преобразования.

Разбор задач

Задача 1. При делении одного ядра урана-235 выделяется 200 МэВ энергии. Какую энергию выделит деление 1,0 кг урана-235, если делятся все ядра? Нужно перевести энергию в джоули и определить количество атомов в данной массе. Затем энергия одного деления умножается на число ядер.

1. Переведём энергию: 200 МэВ = 200 · 1,602 · 10⁻¹³ Дж = 3,204 · 10⁻¹¹ Дж.
2. Число ядер равно N = mN_A/M = 1,0 · 6,02 · 10²³ / 0,235 ≈ 2,56 · 10²⁴.
3. Полная энергия E = Nε ≈ 2,56 · 10²⁴ · 3,204 · 10⁻¹¹ ≈ 8,2 · 10¹³ Дж.

Ответ: примерно 8,2 · 10¹³ Дж. Это показывает, почему ядерное топливо обладает очень высокой удельной энергоёмкостью.

Задача 2. АЭС вырабатывает электрическую мощность 1,0 ГВт при КПД 33%. Какую тепловую мощность должен выдавать реактор? Электрическая мощность здесь является полезной, а тепловая — затраченной. Поэтому используем η = P_эл/P_тепл.

1. Выразим тепловую мощность: P_тепл = P_эл/η.
2. Подставим значения: P_тепл = 1,0 ГВт / 0,33 ≈ 3,03 ГВт.
3. Округляя с учётом точности данных, получаем около 3,0 ГВт.

Ответ: реактор должен выдавать тепловую мощность примерно 3,0 ГВт. Остальная энергия не превращается в электричество и рассеивается в тепловых процессах станции.

Задача 3. На одно деление приходится 1,05 нейтрона, а до следующего поколения доходит 90% нейтронов. Будет ли реакция самоподдерживающейся? Эффективный коэффициент размножения равен произведению числа нейтронов и доли сохранившихся нейтронов. Сравнение результата с единицей даёт ответ о режиме реакции.

1. Находим коэффициент: k = 1,05 · 0,90 = 0,945.
2. Поскольку k < 1, в следующем поколении нейтронов станет меньше.
3. Следовательно, цепная реакция постепенно затухает и самоподдерживающейся не является.

Ответ: реакция не будет самоподдерживающейся. Для устойчивого режима нужно, чтобы эффективный коэффициент был равен единице.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что энергия при делении возникает из ничего. Её допускают, если забывают о дефекте массы и формуле E = mc². Проверка проста: нужно указать, какая часть массы превращается в энергию.

Ошибка: путать управляемую реакцию реактора с неуправляемой реакцией. Причина — общее наличие цепного процесса, хотя в реакторе его скорость регулируют около критического уровня. Проверьте, упомянуты ли управляющие стержни и коэффициент k.

Ошибка: смешивать тепловую мощность реактора с электрической мощностью станции. Так происходит, если не учесть потери при преобразовании энергии. Всегда записывайте P_эл = ηP_тепл и проверяйте, какая мощность указана в условии.

Ошибка: считать, что после остановки реакции тепло исчезает мгновенно. Радиоактивные продукты продолжают распадаться, поэтому сохраняется остаточное тепловыделение. Если в рассуждении отсутствует необходимость дальнейшего охлаждения, его нужно исправить.

Связь с другими темами

Для понимания ядерной энергетики нужны закон сохранения энергии, понятия дефекта массы и связь массы с энергией E = mc². Эти идеи объясняют, откуда берётся энергия деления и почему её количество велико.

Тема опирается на знания о строении атомного ядра, радиоактивности, нейтронах и цепных ядерных реакциях. Без них невозможно объяснить работу топлива, замедлителя и управляющих стержней.

Дальше эти понятия пригодятся при изучении радиационной безопасности, энергетики, ядерного синтеза и экологических проблем. Они помогают сравнивать разные источники энергии и оценивать связанные с ними риски.

Что запомнить

• Энергия деления тяжёлых ядер связана с дефектом массы.
• Цепная реакция поддерживается нейтронами, возникающими при делении ядер.
• В реакторе цепная реакция протекает управляемо.
• Управляющие стержни изменяют число нейтронов и мощность реактора.
• На атомной электростанции ядерная энергия сначала превращается в тепловую, затем в механическую и электрическую.
• После остановки реакции необходимо отводить остаточное тепло.
• Главные требования к АЭС — управление реакцией, охлаждение и защита от радиоактивности.