§86. Использование энергии деления ядер. Ядерная энергетика

Определения и обозначения

Цепная ядерная реакция — самоподдерживающийся процесс, в котором нейтроны, появившиеся при делении ядер, вызывают новые деления. Она развивается, если в среднем нейтронов хватает для продолжения процесса с учётом тех, что поглощаются без деления или покидают топливо. Это понятие помогает понять, как реакция может идти длительное время.

Ядерный реактор — устройство, в котором цепная реакция деления протекает управляемо. Топливо делится, замедлитель снижает скорость нейтронов, управляющие стержни поглощают их часть, а теплоноситель забирает тепло. Такое разделение функций позволяет поддерживать реакцию и одновременно контролировать её мощность.

Атомная электростанция (АЭС) — электростанция, где энергия деления ядер преобразуется в электрическую. Тепло реактора нагревает рабочее тело, пар вращает турбину, а генератор превращает вращение в электрический ток. Понятие АЭС описывает всю цепочку преобразований, а не только реактор.

Ядерное топливо — вещество, ядра которого способны делиться под действием нейтронов; примеры — уран-235 и плутоний-239. В реакторе топливо служит источником делений и выделяемого тепла. От его состава и расположения зависят условия поддержания цепной реакции.

Как это устроено

При делении тяжёлого ядра оно распадается на более лёгкие осколки, испуская также несколько нейтронов. Осколки и нейтроны быстро движутся, поэтому часть энергии реакции проявляется как их кинетическая энергия; энергия уносится и излучением. Суммарная масса продуктов меньше массы исходного ядра, а соответствующая разность масс превращается в энергию. Именно это выделение энергии позволяет получать тепло в реакторе.

Вылетевшие нейтроны могут вызвать деление других ядер топлива, и тогда появляются новые нейтроны. Развитие реакции зависит от того, сколько нейтронов достигает ядер, способных делиться: часть нейтронов может уйти из топлива или поглотиться без деления. Если новые деления в среднем компенсируют потери нейтронов, реакция поддерживается; если их недостаточно — затухает. В реакторе важно не допустить слишком быстрого роста числа делений, поэтому реакцию контролируют.

В активной зоне расположено ядерное топливо, где происходят деления и выделяется тепло. Замедлитель уменьшает скорость нейтронов: для некоторых видов топлива медленные нейтроны эффективнее вызывают деление. Управляющие стержни из материала, поглощающего нейтроны, меняют число нейтронов, доступных для продолжения реакции. Теплоноситель проходит через активную зону и уносит тепло, благодаря чему топливо не перегревается и энергия передаётся дальше.

В энергетической установке тепло реактора передаётся рабочему телу — веществу, которое совершает полезную работу при нагревании и расширении. Вода превращается в пар, а поток пара вращает турбину. Вал турбины соединён с генератором: при его вращении генератор вырабатывает электрический ток. Значит, энергия деления сначала становится тепловой, затем механической и, наконец, электрической.

При делении ядер выделяется много энергии на единицу массы топлива, поэтому станция может долго работать с небольшим его расходом. Но преобразование тепла в электричество не бывает полным: часть тепловой энергии отводится в окружающую среду. Системы безопасности следят за состоянием установки, ограничивают опасное развитие реакции и препятствуют выходу радиоактивных веществ. После остановки цепной реакции продукты деления продолжают выделять остаточное тепло, поэтому охлаждение активной зоны должно сохраняться.

Основные элементы ядерной энергетической установки

Проследи по строкам путь от ядерного топлива до генератора: так видно, какие преобразования энергии происходят одно за другим. Столбец «Назначение» помогает отличить роль каждого элемента от процессов, которые в нём идут. Заметь, что реакторная часть передаёт тепло, а электрический ток появляется только после работы турбины и генератора.

Разбор задач

Задача 1. При одном делении ядра выделяется около 200 МэВ энергии. Переведём это значение в джоули. Для перехода сначала учитываем приставку «мега», а затем используем соотношение между электронвольтом и джоулем.

1. Записываем: 1 МэВ = 10⁶ эВ.
2. Подставляем перевод: 200 МэВ = 200·10⁶·1,6·10⁻¹⁹ Дж.
3. Вычисляем: E = 3,2·10⁻¹¹ Дж.

Ответ: около 3,2·10⁻¹¹ Дж на одно деление. Небольшое значение для отдельного ядра становится значительным, когда делится огромное число ядер.

Задача 2. Оценим энергию, выделяющуюся при делении всех ядер в 1 г урана-235, если одно деление даёт около 200 МэВ. Сначала определим число ядер в образце по количеству вещества, а затем умножим на энергию одного деления. Считаем, что каждое ядро урана-235 делится один раз.

1. Находим количество вещества: ν = m/M = 1 г / 235 г/моль ≈ 4,26·10⁻³ моль.
2. Число ядер: N = νNₐ ≈ 4,26·10⁻³·6,02·10²³ ≈ 2,56·10²¹.
3. Используем результат первой задачи: Eобщ = NE ≈ 2,56·10²¹·3,2·10⁻¹¹ Дж ≈ 8,2·10¹⁰ Дж.

Ответ: приблизительно 8,2·10¹⁰ Дж. Это оценка для полного деления ядер в образце, без учёта потерь и неполного использования топлива.

Задача 3. Реактор передаёт теплоносителю тепловую мощность 3,0 ГВт, а электрическая мощность станции равна 1,0 ГВт. Найдём КПД преобразования и оценим тепло, уходящее в окружающую среду за час. Считаем мощности постоянными в течение этого времени.

1. КПД равен отношению электрической мощности к тепловой: η = Pэл/Pтепл = 1,0/3,0 ≈ 0,33, то есть около 33 %.
2. Тепловая мощность, не ставшая электрической: Pпотерь = 3,0 − 1,0 = 2,0 ГВт = 2,0·10⁹ Вт.
3. За час t = 3600 с уйдёт Q = Pпотерьt = 2,0·10⁹·3600 = 7,2·10¹² Дж.

Ответ: КПД составляет около 33 %, а за час в окружающую среду отводится примерно 7,2·10¹² Дж тепла. Эта энергия не исчезает, а рассеивается в окружающей среде.

Типичные ошибки

Неверно считать, что при делении вся масса ядра превращается в энергию. Так могут рассуждать, напрямую вспоминая E = mc², но в реакции энергия соответствует только изменению массы. Проверь себя: сравни массу исходного ядра с суммарной массой продуктов и используй их разность, а не всю массу ядра.

Неуправляемое быстрое развитие реакции часто путают с работой реактора. Цепная реакция действительно может нарастать, если число нейтронов увеличивается, но в реакторе их количество регулируют, в частности управляющими стержнями. Проверь себя: если объяснение не упоминает поглощение нейтронов и управление реакцией, в нём пропущена важная часть устройства.

Иногда говорят, что турбину вращает непосредственно ядерное топливо. Такая формулировка пропускает передачу тепла теплоносителю и получение пара, который и приводит турбину в движение. Проверь себя, проследив всю цепочку: деление ядер — нагрев — пар — турбина — генератор.

Остановка цепной реакции не означает, что тепловыделение сразу прекратилось. Продукты деления продолжают распадаться, поэтому после остановки остаётся тепло, которое нужно отводить. Проверь себя: если в ответе о выключенном реакторе не сказано о дальнейшем охлаждении, учтено не всё.

Связь с другими темами

Для понимания ядерной энергетики нужны знания о строении атомного ядра и радиоактивности, а также закон сохранения энергии и массы и понятие энергии связи. Разбор реактора продолжает эту тему через тепловые процессы: передача энергии теплоносителю и превращение тепла в работу связаны с термодинамикой и тепловыми двигателями. Работа генератора связывает ядерную энергетику с производством электрического тока. Эти знания пригодятся при изучении радиационной безопасности, способов получения энергии и экологических последствий работы электростанций.

Что запомнить

• При делении тяжёлого ядра высвобождается энергия.
• Нейтроны деления могут поддерживать цепную реакцию.
• В реакторе цепную реакцию поддерживают и контролируют.
• Теплоноситель отводит энергию от активной зоны.
• На атомной станции тепло преобразуется в механическую, а затем в электрическую энергию.
• После остановки реактора требуется отвод остаточного тепла.