Деление ядер урана. Ядерная энергетика
⚡ Физика · 9 класс
Деление ядер урана
Деление ядра — это процесс, при котором тяжёлое атомное ядро под действием попавшего в него нейтрона разваливается на два более лёгких ядра-осколка. Это явление открыли в 1938 году немецкие учёные Отто Ган и Фриц Штрассман.
При попадании нейтрона в ядро урана оно становится неустойчивым, вытягивается и разрывается на части. При этом выделяется большое количество энергии и вылетают новые нейтроны.
Цепная реакция
Главная особенность деления в том, что при распаде одного ядра вылетают 2–3 новых нейтрона. Каждый из них может вызвать деление следующего ядра. Так возникает цепная реакция — лавинообразный процесс делений.
Цепная реакция возможна, если масса урана не меньше критической. Критическая масса — это наименьшая масса вещества, при которой реакция становится самоподдерживающейся.
Управляемая и неуправляемая реакция
Если число нейтронов нарастает неограниченно, происходит взрыв (неуправляемая реакция). В мирной энергетике реакцию делают управляемой, поддерживая постоянное число делений.
| Тип реакции | Число нейтронов | Применение |
|---|---|---|
| Управляемая | постоянное | атомная электростанция |
| Неуправляемая | лавинно растёт | ядерный взрыв |
Устройство ядерного реактора
В основе атомной электростанции лежит ядерный реактор. Его главные части:
- Ядерное топливо — стержни с ураном, где идёт деление.
- Замедлитель (вода или графит) — замедляет нейтроны, чтобы они эффективнее вызывали деление.
- Регулирующие стержни — поглощают лишние нейтроны и управляют реакцией.
- Теплоноситель — отводит выделившееся тепло.
Как работает АЭС
Энергия деления нагревает теплоноситель. Горячая вода превращается в пар, пар вращает турбину, а турбина крутит генератор, вырабатывающий электрический ток. По сути, ядерная энергия превращается в электрическую через тепло и механическое движение.
Разобранный пример
При делении одного ядра урана вылетели 3 нейтрона. Если каждый вызовет новое деление, число делений на каждом шаге утраивается. Схема нарастания:
1 → 3 → 9 → 27 → 81 → ...
Число делений растёт лавинообразно. Это и есть цепная реакция. В реакторе же часть нейтронов поглощают, чтобы оставался ровно один работающий нейтрон от каждого деления, и реакция шла с постоянной скоростью.
Откуда берётся энергия
При делении тяжёлого ядра образуются осколки, у которых удельная энергия связи больше, чем у исходного ядра урана. Разность энергий связи и выделяется в виде энергии движения осколков и излучения. Хотя при делении одного ядра выделяется небольшая энергия, ядер в веществе колоссально много, поэтому суммарная энергия огромна. Один грамм урана при полном делении даёт столько же энергии, сколько сгорание нескольких тонн угля.
Преимущества и проблемы атомной энергетики
Атомные электростанции имеют важные достоинства: они не сжигают органическое топливо, не выбрасывают в атмосферу дым и углекислый газ, а из малого количества топлива получают много энергии. Главные проблемы — обеспечение безопасности реактора и захоронение радиоактивных отходов, которые остаются опасными многие годы. Поэтому к работе АЭС предъявляют очень высокие требования безопасности.
Частая ошибка: думать, что в реакторе происходит взрыв. На АЭС реакция управляемая: регулирующие стержни не дают ей выйти из-под контроля.
Кратко о главном
- Деление ядра урана вызывается попавшим нейтроном и даёт осколки и новые нейтроны.
- Новые нейтроны поддерживают цепную реакцию.
- Для реакции нужна критическая масса вещества.
- В реакторе реакция управляемая благодаря регулирующим стержням.
- На АЭС ядерная энергия через тепло и пар превращается в электрическую.