Меню

§ 18.2 Ядерная энергия

Содержание

Что происходит во время ядерной реакции? Как с ядерной реакцией связана ядерная энергия?

Цепная реакция. Процесс деления ядер урана сопровождается испусканием двух-трёх нейтронов. Вылетевшие нейтроны способны вызвать деление новых ядер урана с испусканием новых нейтронов. Процесс может продолжаться со всё большим числом новых ядер. Такой процесс называется цепной реакцией. Она очень напоминает лавину камней в горах, когда один падающий камень толкает 2—3 следующих.

Однако ядра намного меньше атомов, и цепные реакции осуществляются не так просто. Нейтрон может пролететь через атомы, не попав в ядро. Чтобы столкновение нейтрона с другим ядром произошло, надо взять достаточно большое количество урана-236. Минимальная масса урана, достаточная для осуществления цепной реакции, называется критической массой.

Критическая масса металлического урана-235 равна 52 кг, критическая масса металлического плутония-239 — около 11 кг. Если соединить два объекта из урана-235 (или плутония-239), масса которых в сумме будет равна его критической массе, то начнётся цепная реакция и произойдёт атомный взрыв. Именно так происходит взрыв атомной бомбы. Уран (или плутоний) разделяют на несколько частей, масса которых в сумме составляет критическую массу. Если разрушить перегородки между частями урана (или плутония), то возникнет цепная реакция и произойдёт атомный взрыв.

Ядерный реактор атомной электростанции. Для того чтобы реакция деления урана-235 (или плутония-239) протекала замедленно, надо во время реакции с помощью специальных поглотителей изымать нейтроны из массы делящегося вещества.

Именно на этом принципе и работают ядерные реакторы атомных электростанций. Ядерное горючее содержит смесь изотопов урана-235 и урана-238. Оно находится на стенках тепловыделяющих элементов. Нейтроны, высвобождающиеся при делении ядер урана, попадают в воду или графит, которые заполняют бак реактора. При столкновении с лёгкими ядрами атомов водорода и углерода нейтроны быстро теряют кинетическую энергию. Их скорость уменьшается до скорости теплового движения атомов. Такие тепловые нейтроны при попадании в ядра атомов изотопа урана-235 вызывают новые реакции деления.

Для того чтобы выделение энергии не привело к взрыву реактора, необходимо постоянно регулировать ход цепной реакции. Управление ходом цепной реакции происходит с помощью регулирующих стержней, содержащих бор и кадмий. При превышении заданного уровня мощности автоматическое устройство даёт команду на опускание управляющих стержней. Ядра бора и кадмия поглощают тепловые нейтроны, и уменьшается число делений ядер урана в единицу времени. Уменьшается мощность выделения энергии.

При снижении уровня мощности ниже заданного уровня даётся команда на поднятие управляющих стержней. Поглощение нейтронов уменьшается, число делений ядер урана в единицу времени увеличивается, мощность выделения энергии увеличивается.

Кинетическая энергия осколков ядер урана-235 поглощается в стенках тепловыделяющих элементов и превращается во внутреннюю энергию. Выделяющаяся теплота передаётся воде — теплоносителю. Вода, находящаяся в реакторе под давлением 100 атм, нагревается до температуры около 300 °С.

С помощью насоса горячая вода прокачивается по трубам парогенератора и отдаёт полученную теплоту воде в трубах парогенератора. Нагревающаяся вода превращается в пар при температуре 230 °С и давлении 30 атм. Пар отправляется на лопасти паровой турбины, которая вращает ротор электрогенератора. Так на атомных электростанциях производится электроэнергия (рис. 18.2).

Достоинством атомных станций является то, что им не требуется для работы огромное количество угля, газа или мазута. Топливо на целый год можно подвести в одном вагоне поезда. Для сравнения, Троицкой тепловой электростанции, работающей на угле, только в сутки необходимо два эшелона этого топлива.

Недостатком атомных станций является образование в процессе их работы опасных для жизни радиоактивных отходов, которые надо каким-то образом утилизировать или захоронить.

Проверьте себя:

1. Что такое критическая масса?

2. Какое вещество так же, как и уран, может самопроизвольно делиться?

3. Что такое цепная реакция?

4. Как устроен ядерный реактор?

5. В чём состоит опасность ядерной энергетики?

* Попробуйте объяснить, почему при отрицательных свойствах атомных электростанций их строят во многих странах мира.