В чём главное преимущество АЭС перед ТЭС, названное в учебнике?

АЭС нужно очень мало топлива

АЭС дешевле построить

АЭС не нужна вода

АЭС совсем не дают отходов

Какие три главные проблемы атомной энергетики выделяют специалисты?

Риск распространения ядерного оружия

Возможность аварий

Затопление больших территорий

Какие способы обращения с радиоактивными отходами действительно применяются?

Отверждение жидких отходов

Остекление отходов

Захоронение в изолированных могильниках

Очистка газообразных отходов

Сброс в реки после разбавления

Зачем создано МАГАТЭ?

Для контроля нераспространения ядерного оружия и безопасного мирного использования ядерной энергии

Чтобы строить АЭС во всех странах

Для запрета атомной энергетики

Атомная энергетика — 9 класс, физика: объяснение, примеры, задачи

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Ядерный реактор. Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию

Коротко о главном

Атомная электростанция (АЭС) получает электричество из энергии деления ядер урана. Её главный плюс — топлива нужно очень мало и нет дыма с сернистым газом. Главные проблемы — радиоактивные отходы, риск аварий и опасность распространения ядерного оружия.

\text{ядерная энергия} \to \text{внутренняя энергия пара} \to \text{механическая энергия турбины} \to \text{электрическая энергия}

Подробное объяснение

Представьте, что для обогрева дома зимой нужен целый грузовик дров, а кто-то предлагает заменить его горстью песка. Примерно так выглядит сравнение атомного топлива с обычным. По данным учебника, энергия, заключённая в 1 г урана, равна энергии сгорания около 2,5 т нефти.

Зачем понадобилась атомная энергетика

Потребление энергии растёт быстро, а запасы угля, нефти и газа ограничены. Реки, ветер, солнце, морские волны и тепло Земли — возобновляемые источники, но их не везде хватает, а крупные станции на них занимают много места. Поэтому в середине XX века начали искать новые источники энергии. Первая в мире АЭС заработала в 1954 году в Обнинске. Её мощность была всего 5000 кВт, современные станции мощнее в сотни раз.

Как устроена АЭС

В реакторе идёт управляемая цепная реакция деления ядер урана. Выделившаяся энергия нагревает теплоноситель, он превращает воду в пар, пар крутит турбину, турбина — генератор. Вторая половина цепочки такая же, как на тепловой станции (ТЭС). Разница только в том, откуда берётся тепло: не из сжигания топлива, а из деления ядер.

Плюсы АЭС

Мало топлива. Не нужны эшелоны угля и цистерны нефти, поэтому эксплуатация дешевле. Зато строить АЭС дороже, чем ТЭС, так что в итоге стоимость примерно сравнима.
Чище воздух — при правильной работе. На АЭС ничего не горит, нет углекислого и сернистого газа, нет золы. В выбросах АЭС бывают радиоактивные газы, но большая часть этих ядер быстро распадается. Интересно, что угольные ТЭС тоже выбрасывают долгоживущие радиоактивные вещества: они есть в угле как примесь и оседают на золоотвалах.

Для сравнения: уголь, нефть и газ содержат серу. При горении получается сернистый газ, он соединяется с влагой в воздухе и выпадает кислотными дождями. ГЭС затапливают большие площади под водохранилища и мешают рыбе. Солнечным и ветровым станциям нужны огромные территории.

Минусы и проблемы

Распространение ядерного оружия. Технологии и материалы реакторов можно использовать не по назначению. Эту проблему решают только всем миром: за мирным использованием атома следит МАГАТЭ, созданное в 1957 году.
Радиоактивные отходы. Отработанное топливо опасно очень долго. Задачи три: образовывать меньше отходов, перерабатывать их (жидкие — отверждать, на заводах — остекловывать, газы — очищать) и надёжно изолировать в могильниках.
Аварии. Особенно опасны аварии, вызванные стихийными бедствиями. Самые известные — Чернобыльская (1986) и «Фукусима-1» (2011, после землетрясения и цунами). Поэтому у реакторов несколько барьеров защиты и автоматическое глушение.

Величины в задачах

Энергия $$W$$ — в джоулях (Дж). Мощность $$P$$ — в ваттах (Вт), $$1$$ МВт $$= 10^6$$ Вт.
КПД $\eta = \dfrac{P_{\text{эл}}}{P_{\text{т}}}$ — доля тепловой мощности реактора, ставшая электрической. У АЭС он около трети, остальное тепло уходит в окружающую среду.
Энергия деления одного ядра урана-235 — около 200 МэВ, $$1$$ МэВ $= 1{,}6 \cdot 10^{-13}$ Дж.

Как решать задачи

Поймите, что спрашивают: сравнение топлива, КПД, расход урана или выбросы.
Переведите все величины в СИ: МВт в Вт, сутки в секунды, граммы и тонны — аккуратно.
Для расхода топлива сначала найдите полезную энергию $$W = Pt$$ , затем затраченную $W/\eta$ .
Разделите затраченную энергию на энергию, которую даёт 1 г (или 1 кг) топлива.
Проверьте порядок величины: урана АЭС тратит килограммы в сутки, угля ТЭС — тысячи тонн.

Разобранные примеры

База

Сколько нефти заменяет уран

Условие

В реактор загрузили 3 кг урана. Сколько тонн нефти пришлось бы сжечь, чтобы получить столько же энергии? Считайте, что 1 г урана эквивалентен 2,5 т нефти.

Дано

$$m_U = 3$$ кг $$= 3000$$ г
1 г урана ≈ 2,5 т нефти

Найти

$m_{\text{н}}$

Решение

$m_{\text{н}} = 3000 \cdot 2{,}5 = 7500$ т.

Это примерно сто пятьдесят железнодорожных цистерн.

Ответ: 7500 т

Средний

КПД энергоблока и тепловые потери

Условие

Тепловая мощность реактора 3200 МВт, электрическая мощность энергоблока 1070 МВт. Найдите КПД и мощность, которая уходит в окружающую среду.

Дано

$P_{\text{т}} = 3200$ МВт
$P_{\text{эл}} = 1070$ МВт

Найти

$\eta$
$P_{\text{пот}}$

Решение

$\eta = \dfrac{1070}{3200} \approx 0{,}33$ , то есть около 33 %.

$P_{\text{пот}} = 3200 - 1070 = 2130$ МВт — это тепло уходит в градирни и водоёмы-охладители.

Ответ: Около 33 %; 2130 МВт

Сложный

Уран против угля за сутки

Условие

Станция электрической мощностью 500 МВт работает с КПД 32 %. Сколько урана-235 ей нужно в сутки, если 1 г урана даёт $8{,}2 \cdot 10^{10}$ Дж? А сколько угля понадобилось бы ТЭС с тем же КПД (уголь даёт $2{,}9 \cdot 10^7$ Дж/кг)?

Дано

$P = 5 \cdot 10^8$ Вт
$t = 86\,400$ с
$\eta = 0{,}32$

Найти

$$m_U$$
$m_{\text{у}}$

Решение

Полезная энергия: $W_{\text{п}} = Pt = 5 \cdot 10^8 \cdot 86\,400 = 4{,}32 \cdot 10^{13}$ Дж.

Затраченная энергия: $W = \dfrac{4{,}32 \cdot 10^{13}}{0{,}32} = 1{,}35 \cdot 10^{14}$ Дж.

Уран: $m_U = \dfrac{1{,}35 \cdot 10^{14}}{8{,}2 \cdot 10^{10}} \approx 1650$ г $\approx 1{,}6$ кг.

Уголь: $m_{\text{у}} = \dfrac{1{,}35 \cdot 10^{14}}{2{,}9 \cdot 10^{7}} \approx 4{,}7 \cdot 10^{6}$ кг $\approx 4700$ т.

Ответ: Около 1,6 кг урана или около 4700 т угля

Типичные ошибки

«АЭС вообще не загрязняют среду»

Почему неверно

У АЭС нет дыма и сернистого газа, но есть радиоактивные отходы, небольшие радиоактивные выбросы и сброс тепла в водоёмы.

Как правильно

АЭС чище ТЭС по выбросам в воздух при правильной работе, но у неё свои серьёзные проблемы: отходы, риск аварий, распространение оружия.

Путают «дешевле работать» и «дешевле построить»

Почему неверно

Топливо для АЭС обходится дешевле, поэтому ученики решают, что АЭС дешевле во всём. Но строительство АЭС дороже, чем ТЭС.

Как правильно

Эксплуатация АЭС дешевле, строительство дороже — в итоге стоимость станций примерно сопоставима.

Забывают про КПД при расчёте расхода топлива

Почему неверно

Делят электрическую энергию на энергию 1 г урана и получают массу в три раза меньше настоящей.

Как правильно

Реактор выделяет больше энергии, чем уходит в сеть. Сначала найдите затраченную энергию $W = \dfrac{Pt}{\eta}$ , а потом делите её на энергию единицы топлива.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

По данным учебника, энергия, заключённая в 1 г урана, равна энергии сгорания примерно 2,5 т нефти. Сколько тонн нефти заменяют 40 г урана?

Подсказка

Во сколько раз 40 г больше 1 г — во столько же раз больше и нефти.

Решение

$m_{\text{н}} = 40 \cdot 2{,}5 = 100$ т.

Ответ

100 т

База Задача 2

Почему угольные и мазутные ТЭС вызывают кислотные дожди, а АЭС — нет?

Подсказка

Вспомните, какой химический элемент содержится в угле и нефти и что с ним происходит при горении.

Решение

В угле, нефти и газе есть примесь серы. При сжигании образуется сернистый газ, часть его уходит в атмосферу, соединяется с влагой и выпадает в виде раствора кислоты. На АЭС ничего не сжигают, поэтому сернистого газа нет.

Ответ

На ТЭС сжигают топливо с примесью серы, образуется сернистый газ; на АЭС горения нет

Средний Задача 3

Тепловая мощность реактора 3000 МВт, электрическая мощность энергоблока 1000 МВт. Найдите КПД энергоблока и мощность, которая уходит в окружающую среду в виде тепла.

Подсказка

КПД — доля полезной мощности в затраченной; остальное — потери.

Решение

$\eta = \dfrac{P_{\text{эл}}}{P_{\text{т}}} = \dfrac{1000}{3000} \approx 0{,}33$ , то есть около 33 %. В окружающую среду уходит $P_{\text{т}} - P_{\text{эл}} = 3000 - 1000 = 2000$ МВт.

Ответ

Около 33 %; 2000 МВт

Средний Задача 4

При делении одного ядра урана-235 выделяется около 200 МэВ энергии (1 МэВ = 1,6·10⁻¹³ Дж). Сколько энергии выделится при делении всех ядер в 1 г урана-235? Молярная масса урана-235 — 235 г/моль, постоянная Авогадро 6,02·10²³ моль⁻¹.

Подсказка

Сначала найдите число ядер в 1 г, затем умножьте на энергию одного деления.

Решение

Число ядер: $N = \dfrac{m}{M} N_A = \dfrac{1}{235} \cdot 6{,}02 \cdot 10^{23} \approx 2{,}56 \cdot 10^{21}$ .

Энергия одного деления: $200 \cdot 1{,}6 \cdot 10^{-13} = 3{,}2 \cdot 10^{-11}$ Дж.

Всего: $W = 2{,}56 \cdot 10^{21} \cdot 3{,}2 \cdot 10^{-11} \approx 8{,}2 \cdot 10^{10}$ Дж.

Ответ

Около 8,2·10¹⁰ Дж

Сложный Задача 5

Угольная ТЭС сжигает за сутки 10 000 т угля, в котором 2 % серы. Какая масса сернистого газа SO₂ образуется, если вся сера сгорает? Молярные массы серы и SO₂ — 32 и 64 г/моль.

Подсказка

Найдите массу серы, затем учтите, что из 32 г серы получается 64 г SO₂.

Решение

Масса серы $m_S = 0{,}02 \cdot 10\,000 = 200$ т. Из каждой массы серы получается вдвое большая масса газа, поэтому $m_{SO_2} = 200 \cdot \dfrac{64}{32} = 400$ т.

Ответ

400 т в сутки

Сложный Задача 6

АЭС электрической мощностью 1000 МВт работает с КПД 33 %. Сколько килограммов урана-235 она расходует за сутки, если при делении ядер 1 г урана выделяется 8,2·10¹⁰ Дж?

Подсказка

Найдите полезную энергию за сутки, затем — энергию, выделившуюся в реакторе (разделите на КПД).

Решение

Дано

$$P = 10^9$$ Вт
$t = 86\,400$ с
$\eta = 0{,}33$
$W_1 = 8{,}2 \cdot 10^{10}$ Дж/г

Найти

$$m$$

Полезная энергия: $W_{\text{п}} = Pt = 10^9 \cdot 86\,400 = 8{,}64 \cdot 10^{13}$ Дж.

Энергия в реакторе: $W = \dfrac{W_{\text{п}}}{\eta} = \dfrac{8{,}64 \cdot 10^{13}}{0{,}33} \approx 2{,}62 \cdot 10^{14}$ Дж.

Масса урана: $m = \dfrac{W}{W_1} = \dfrac{2{,}62 \cdot 10^{14}}{8{,}2 \cdot 10^{10}} \approx 3200$ г $\approx 3{,}2$ кг.

Ответ

Около 3,2 кг

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Нарисуйте цепочку «тепло → пар → турбина → генератор» и спросите, откуда берётся тепло на ТЭС и на АЭС. Затем составьте вместе таблицу «плюсы и минусы» для угольной станции, ГЭС и АЭС: топливо, выбросы, занятая земля, опасности. Хорошо работает сравнение: горсть урана против поезда с углём.

Вопросы для проверки понимания: 1) Чем АЭС похожа на ТЭС и чем отличается? 2) Почему угольные станции вызывают кислотные дожди? 3) Какие три главные проблемы атомной энергетики и как их решают?

На что обратить внимание. Ребёнок должен видеть обе стороны, а не заучить «АЭС — хорошо» или «АЭС — опасно». В расчётных задачах следите за переводом мегаватт и суток в СИ и за учётом КПД.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Физика. 9 класс (Перышкин, Гутник)	§ 60	—