Ядерный реактор и ядерная энергетика
⚡ Физика · 11 класс
Цепная ядерная реакция
Основой ядерной энергетики служит цепная реакция деления тяжёлых ядер. При попадании нейтрона в ядро урана-235 оно делится на два осколка, при этом выделяется энергия и вылетают несколько новых нейтронов. Эти нейтроны вызывают деление новых ядер, и реакция становится самоподдерживающейся.
Условную схему деления можно записать так:
n + U-235 → осколки + 2…3 n + энергия
Коэффициент размножения нейтронов
Возможность цепной реакции характеризуют коэффициентом размножения k — отношением числа нейтронов следующего поколения к предыдущему.
Значение k | Характер реакции |
|---|---|
k < 1 | Реакция затухает |
k = 1 | Реакция управляемая, стационарная |
k > 1 | Реакция нарастает (опасный режим) |
Для развития цепной реакции масса делящегося вещества должна быть не меньше критической.
Устройство ядерного реактора
Ядерный реактор — это установка для осуществления управляемой цепной реакции. Его основные части:
- Ядерное топливо — обогащённый уран в тепловыделяющих элементах.
- Замедлитель (вода, графит) — снижает скорость нейтронов, делая их способными вызывать деление.
- Регулирующие стержни из вещества, поглощающего нейтроны (бор, кадмий), — управляют ходом реакции.
- Теплоноситель — отводит выделившуюся теплоту.
- Защитная оболочка — задерживает излучение.
Как получают электроэнергию
Выделяющееся при делении тепло нагревает теплоноситель, тот передаёт энергию воде, превращая её в пар. Пар вращает турбину с генератором, и вырабатывается электрический ток.
Почему ядерная энергия так велика
При делении одного ядра урана выделяется примерно в миллионы раз больше энергии, чем при сжигании такого же числа атомов в обычной химической реакции. Источник этой энергии — уменьшение массы: суммарная масса осколков и нейтронов меньше массы исходного ядра. Связь массы и энергии описывает формула Эйнштейна:
E = m·c²
Даже крошечный «дефект массы» даёт огромную энергию, потому что квадрат скорости света — очень большое число.
Достоинства и проблемы
Ядерная энергетика не сжигает топливо в воздухе и не выделяет углекислый газ, а из малого количества топлива получают много энергии. Однако существуют серьёзные проблемы: образование радиоактивных отходов, опасность аварий и необходимость надёжной защиты от излучения.
| Достоинства | Недостатки |
|---|---|
| Малый расход топлива | Радиоактивные отходы |
| Нет выброса углекислого газа | Опасность аварий |
Термоядерные реакции
Кроме деления тяжёлых ядер, энергию выделяет и синтез лёгких ядер — термоядерная реакция. Именно она служит источником энергии Солнца и звёзд, где ядра водорода сливаются в ядра гелия. Управляемый термоядерный синтез на Земле пока не освоен, но он считается перспективным «топливом будущего».
Важно. Управление реактором осуществляется регулирующими стержнями: вдвигая их, поглощают лишние нейтроны и поддерживают k = 1. Замедлитель необходим, потому что медленные (тепловые) нейтроны вызывают деление урана-235 эффективнее быстрых.Кратко о главном
- Ядерная энергетика основана на цепной реакции деления тяжёлых ядер.
- Управляемость реакции описывает коэффициент размножения
k. - Реактор содержит топливо, замедлитель, регулирующие стержни, теплоноситель и защиту.
- Энергия деления превращается в тепло, а затем в электричество.