"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Ядерный реактор — установка для получения энергии за счёт управляемой цепной реакции деления ядер. При делении тяжёлых ядер выделяются тепло и новые нейтроны, которые могут вызвать следующие деления. Замедлитель помогает реакции продолжаться, управляющие стержни регулируют её скорость, а теплоноситель отводит энергию. На атомной электростанции это тепло превращается в пар, а затем в электрическую энергию.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ядерный реактор — устройство, в котором поддерживается управляемая цепная реакция деления ядер для получения энергии. Его задача не в мгновенном выделении всей энергии, а в постепенном и регулируемом нагревании теплоносителя. Поэтому реактор можно сравнить с источником тепла, мощность которого контролируют.
Цепная реакция деления — процесс, при котором нейтроны, появившиеся при делении ядер, вызывают деление других ядер. Так возникает последовательность связанных событий: одно деление поддерживает следующие. От того, сколько нейтронов продолжает реакцию, зависит её затухание, устойчивость или усиление.
Замедлитель — вещество, уменьшающее скорость нейтронов и повышающее вероятность новых делений ядер. Быстрые нейтроны при столкновениях с ядрами замедлителя теряют энергию. Это нужно, чтобы нейтроны эффективнее взаимодействовали с топливом.
Управляющие стержни — стержни из материала, поглощающего нейтроны и регулирующего скорость цепной реакции. При их погружении число нейтронов, способных вызвать деление, уменьшается. Так изменяют мощность реактора или полностью прекращают цепную реакцию.
Ядро тяжёлого атома, например урана, может захватить нейтрон и стать неустойчивым. Оно делится на два более лёгких ядра, а разность масс превращается в энергию по закону E = mc². Одновременно испускаются новые нейтроны, поэтому каждое деление может стать началом нескольких следующих событий.
Цепная реакция зависит от числа нейтронов, которые действительно вызывают новые деления. Если их слишком мало, реакция затухает; если в среднем один нейтрон от каждого деления продолжает процесс, мощность остаётся устойчивой. Когда таких нейтронов становится больше, число делений быстро растёт, поэтому реактор должен иметь средства регулирования.
Замедлитель нужен потому, что вероятность деления ядер топлива зависит от скорости нейтрона. При столкновениях с лёгкими ядрами нейтрон теряет энергию, но не исчезает. В подходящем диапазоне скоростей он чаще вызывает новое деление, поэтому реакция продолжается при меньшем количестве топлива.
Управляющие стержни перемещают внутри активной зоны — области, где находятся топливо, замедлитель и места протекания делений. Чем глубже стержни погружены, тем больше нейтронов они поглощают и тем меньше мощность. Если ввести их полностью, цепная реакция прекращается, хотя остаточное тепло ещё некоторое время требует отвода.
При делении энергия сначала превращается во внутреннюю энергию топлива и окружающих материалов. Теплоноситель забирает тепло из активной зоны и передаёт его воде в парогенераторе либо сам превращается в пар. Пар вращает турбину, турбина приводит генератор, а генератор преобразует механическую энергию в электрическую.
В таблице показано, какую задачу выполняет каждая часть установки и к чему привело бы её отсутствие. При разборе устройства сначала смотрите на функцию элемента, а затем связывайте её с этапом превращения ядерной энергии в электрическую.
| Часть реактора | Что используется или происходит | Основная функция | Что изменится при отсутствии |
|---|---|---|---|
| Ядерное топливо | Ядра урана или другого делящегося вещества поглощают нейтроны и делятся | Выделение энергии и рождение новых нейтронов | Не будет источника тепла и цепной реакции |
| Замедлитель | Нейтроны сталкиваются с его ядрами и теряют скорость | Повышение вероятности новых делений | Реакция может стать неустойчивой или затухнуть |
| Управляющие стержни | Материал стержней поглощает нейтроны | Регулирование мощности и остановка реактора | Нельзя будет надёжно управлять реакцией |
| Теплоноситель | Переносит тепло от активной зоны к парогенератору | Охлаждение топлива и получение пара | Активная зона перегреется, производство пара прекратится |
| Защитный корпус и биологическая защита | Прочные конструкции удерживают вещества, а специальные материалы ослабляют излучение | Защита оборудования и людей | Возрастёт опасность выхода радиоактивных веществ и облучения |
Условие. Объяснить, почему введение управляющих стержней в активную зону уменьшает мощность реактора. Требуется установить связь между устройством стержней и числом делений.
Ответ. Управляющие стержни уменьшают мощность, потому что поглощают нейтроны и сокращают число поддерживаемых ими актов деления.
Условие. При каждом делении выделяется 200 МэВ, произошло N делений. Найти общую энергию. Используем 1 эВ = 1,6 · 10⁻¹⁹ Дж.
Ответ. При N делениях выделится E = 3,2 · 10⁻¹¹N Дж. Если число делений задано числом, его нужно подставить вместо N.
Условие. Реактор мощностью P работает время t. Оценить массу топлива, если энергия одного деления ε, молярная масса топлива M, а Nₐ — постоянная Авогадро. Потерями энергии пренебречь.
Ответ. Искомая масса оценивается формулой m = PtM/(εNₐ). Она показывает, что расход топлива растёт с мощностью и временем работы и уменьшается при большей энергии одного деления.
Ошибка: считать реактор устройством для взрыва. Так происходит, когда путают управляемую цепную реакцию с неуправляемой. Проверьте себя: в реакторе есть управляющие стержни и постоянный отвод тепла.
Ошибка: утверждать, что стержни ускоряют реакцию. Иногда забывают, что стержни поглощают нейтроны, а не добавляют их. Проверка проста: больше поглощённых нейтронов означает меньше новых делений и меньшую мощность.
Ошибка: путать замедлитель с теплоносителем. Оба вещества могут находиться рядом с топливом, но их задачи различны: замедлитель меняет скорость нейтронов, теплоноситель переносит тепло. Название функции помогает различить эти элементы.
Ошибка: считать, что энергия возникает из ничего. При таком рассуждении пропускают цепочку превращений: энергия ядерного деления становится теплом, затем энергией пара и электричеством. Проверьте, назван ли каждый этап передачи энергии.
Для понимания реактора нужны знания о строении атомного ядра, радиоактивности, делении ядер и законе сохранения энергии. Эти темы объясняют, откуда берутся нейтроны и почему при делении выделяется энергия.
Реактор связан с цепными реакциями и ядерной энергетикой. Его принцип работы лежит в основе атомных электростанций, где тепло превращается в электрическую энергию.
Понятия активной зоны, управления реакцией и остаточного тепла важны при изучении радиационной безопасности. Позже они помогут сравнить деление ядер с ядерным синтезом.
Почему цепная реакция в реакторе не превращается во взрыв?
В реакторе число делений регулируют: управляющие стержни поглощают часть нейтронов, а конструкция установки отводит тепло. Поэтому реакция поддерживается в устойчивом режиме, а не развивается лавинообразно.
Зачем нейтроны замедляют?
Медленные нейтроны с большей вероятностью вызывают деление некоторых ядер урана. Поэтому замедлитель повышает вероятность продолжения цепной реакции и помогает получать энергию устойчиво.
Как управляющие стержни останавливают реактор?
Стержни вводят глубже в активную зону, и они поглощают больше нейтронов. Нейтронов становится недостаточно для поддержания цепной реакции, поэтому деления резко уменьшаются.
Чем ядерный реактор отличается от атомной бомбы?
В реакторе цепная реакция управляется и сопровождается постоянным отводом тепла. В атомной бомбе реакция развивается неуправляемо за очень короткое время, поэтому энергия выделяется взрывообразно.
Почему реактор после остановки ещё некоторое время выделяет тепло?
После прекращения цепной реакции в продуктах деления продолжаются радиоактивные превращения. Они сопровождаются выделением остаточного тепла, поэтому охлаждение реактора необходимо и после остановки.
4. Ядерный реактор
