Ядерный реактор. Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию

Представьте костёр, который нельзя тушить и нельзя раздувать: подкладывать дрова надо ровно так, чтобы огонь горел одинаково. Ядерный реактор решает ту же задачу, только «огонь» — это цепная реакция деления ядер урана, а «дрова» — нейтроны.

Как держат реакцию под контролем

При делении ядра урана-235 вылетают 2–3 нейтрона. Каждый может разделить следующее ядро. Если в среднем от одного деления рождается больше одного нового деления, реакция лавинообразно разгоняется — это взрыв. Если меньше — затухает. Управлять реакцией — значит держать число свободных нейтронов неизменным.

Из чего состоит реактор

• Ядерное топливо — уран, обогащённый ураном-235. В природном уране этого изотопа всего около 0,7 %, для реактора его долю повышают до нескольких процентов. Топливо собрано в стержни. Масса урана в одном стержне меньше критической, поэтому реакция начинается, только когда в активную зону загружены все стержни.
• Замедлитель — вещество, которое тормозит нейтроны, чаще всего вода. При делении нейтроны вылетают быстрыми, а уран-235 лучше делится медленными. Нейтрон ударяется о ядра водорода и кислорода и теряет скорость.
• Регулирующие стержни — стержни из вещества, которое хорошо поглощает нейтроны. Опустили глубже — нейтронов меньше, реакция ослабла. Подняли — реакция усилилась. Полностью опущенные стержни останавливают реактор.
• Отражатель и защитная оболочка из бетона. Отражатель возвращает нейтроны в активную зону, оболочка задерживает излучение.
• Теплоноситель уносит тепло. В водяном реакторе эту роль играет та же вода, что и замедляет нейтроны.

Часть реактора, где лежат топливо и замедлитель и идёт реакция, называют активной зоной.

Как получается электричество

Осколки ядер и нейтроны разлетаются с огромной скоростью и отдают энергию воде — вода нагревается. Горячая вода первого контура по трубам идёт в парогенератор (теплообменник) и насосом возвращается в реактор. Первый контур замкнут, радиоактивная вода из него наружу не выходит.

В парогенераторе через змеевик проходит вода второго контура. Она нагревается и превращается в пар. Пар вращает турбину, турбина — ротор генератора, генератор даёт ток. Отработанный пар в конденсаторе охлаждается, снова становится водой и возвращается в парогенератор.

Цепочка превращений энергии: внутренняя энергия ядер → кинетическая энергия нейтронов и осколков → внутренняя энергия воды → внутренняя энергия пара → кинетическая энергия пара → кинетическая энергия роторов турбины и генератора → электрическая энергия.

Величины в задачах

• Тепловая мощность реактора \(P_{\text{т}}\) и электрическая мощность станции \(P_{\text{эл}}\) — в ваттах (Вт, МВт = \(10^6\) Вт).
• КПД АЭС \(\eta = \dfrac{P_{\text{эл}}}{P_{\text{т}}}\) — обычно около 30–35 %.
• Энергия одного деления урана-235 — около 200 МэВ, это \(3{,}2 \cdot 10^{-11}\) Дж. Полное деление 1 г урана-235 даёт около \(8 \cdot 10^{10}\) Дж.

Как решать задачи

1. Выпишите, какая мощность дана: тепловая или электрическая. Переведите МВт в Вт.
2. Если нужна тепловая мощность, а дана электрическая, разделите на КПД: \(P_{\text{т}} = P_{\text{эл}} / \eta\).
3. Энергия за время \(t\): \(W = P_{\text{т}} t\), время — в секундах (сутки = 86 400 с).
4. Массу топлива найдите делением энергии на энергию из 1 г; число делений — делением на энергию одного деления.
5. Проверьте порядок величины: реактор тратит килограммы урана в сутки, а не тонны.