Ядерный реактор — принцип работы, устройство, схема

Покажем, как применять знание физики в жизни

Начать учиться

Звучит страшно и опасно, но при умелом обращении приносит много пользы. Как устроен ядерный реактор и почему его не стоит бояться — в нашей статье.

Принцип работы ядерного реактора

Принцип действия реактора можно описать в паре предложений:

Уран-235 распадается, вследствие чего выделяется большое количество тепловой энергии. Эта энергия кипятит воду, а возникший пар крутит турбину под давлением. Турбина, в свою очередь, вращает электрогенератор, который вырабатывает электричество.

Все, расходимся… Ладно, давайте разберемся более детально.

Уран-235 — это один из изотопов урана. Изотоп — это разновидность атома какого-либо вещества, которая отличается от обычного атома атомной массой. Конкретно уран-235 отличается от простого урана тем, что в ядре такого изотопа на три нейтрона меньше.

Из-за недостатка нейтронов ядро становится менее стабильным и распадается на две части, если разогнать и врезать в него нейтрон. При этой реакции вылетает еще парочка нейтронов. Эти нейтроны могут попасть в другое ядро урана-235 и расщепить его, после чего оттуда вылетит еще нейтрон, и так далее по цепочке. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией.

Пятерка по физике у тебя в кармане!

Решай домашку по физике на изи. Подробные решения помогут разобраться в сложной теме и получить пятерку!

Деление урана

Деление ядер урана под воздействием нейтронов открыли немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман в 1938 году. Для эксперимента выбрали именно нейтроны потому, что они электрически нейтральны, то есть у них нет заряда. А раз нет заряда, то между протонами и нейтронами нет кулоновского отталкивания, и нейтроны легко проникают в ядро.

Когда нейтрон попадает в ядро урана-235, оно деформируется и становится вытянутым. Ядерные силы действуют на очень маленьких расстояниях, но не работают на больших. А вот электростатическое взаимодействие может происходить и на больших расстояниях. Поэтому ядерное взаимодействие не может противодействовать электростатическому отталкиванию противоположных частей вытянутого ядра, и последнее разрывается на части. При этом излучается та самая парочка нейтронов, о которых мы уже упоминали выше, а близкие по массе осколки разлетаются с большой скоростью.

Результаты деления ядра урана-235:

1. Распад на барий и криптон с выделением трех нейтронов:

2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:

Еще больше наглядных примеров — на курсах по физике для 9 класса в онлайн-школе Skysmart.

Управляемая ядерная реакция

Естественная ядерная реакция происходит очень быстро — меньше, чем за секунду. Такая быстрая ядерная реакция провоцирует ядерный взрыв.

Хорошая новость заключается в том, что ядерной реакцией можно управлять. Задача проста — следи себе за реакцией, контролируй и не давай урану распадаться слишком быстро. Легко сказать!

Для выполнения этой задачи придумали замедлитель. Замедлитель — не устройство, а вещество, которое уменьшает кинетическую энергию нейтронов за счет многократного столкновения с молекулами замедлителя. В качестве замедлителя часто используют графитовые стержни и воду — обычную (H₂O) или тяжелую (D₂O).

Оказывается…

На Земле был природный ядерный реактор. Он находился в урановом месторождении Окло. Это в Габоне, в Центральной Африке. В природном ядерном реакторе процесс распада урана происходит без человеческого участия. Но есть один нюанс: этот реактор остыл больше миллиарда лет назад.

Техническая реализация

Если вы хоть раз смотрели «Симпсонов» (или в вашем городе есть реактор), то знаете, как выглядят большие трубы, стоящие на территории атомной электростанции (АЭС). Эти трубы называются градирни и служат для быстрого охлаждения пара.

В момент распада ядро урана раскалывается на две части. Эти части разлетаются в разные стороны с огромной скоростью, но, несмотря на скорость, не улетают далеко. Они ударяются об атомы, которые находятся рядом, и кинетическая энергия переходит в тепловую. Количество теплоты от этих соударений нагревает воду, превращая ее в пар. Пар крутит турбину, а турбина крутит генератор, который вырабатывает электричество.

Вот и получается, что мы живем в стимпанке — все работает на пару.

АЭС

Если коротко, то атомная электростанция — это сооружение, которое производит электричество за счет ядерного реактора.

А если подробнее, то АЭС — это большой комплекс, во главе которого стоит ядерный реактор. Помимо реактора на АЭС есть турбина, генератор, трансформаторы для преобразования напряжения. В общем, это большая система.

В бытовом употреблении АЭС часто приравнивают к ядерному реактору, и это нельзя назвать неправильным. Просто ядерный реактор — босс в этой движухе, поэтому он и определяет все остальное. 😉

Кстати, когда будете играть в крокодила, загадайте атомную электростанцию. Будет забавно, проверено.

Чернобыльская АЭС

Когда речь заходит о ядерной энергетике, многие невольно вспоминают катастрофу на Чернобыльской АЭС и поэтому ошибочно считают, что ядерный реактор — зло.

Но по большому счету, реактор — это очень дорогой чайник. Дым, который валит из труб АЭС и пугает прохожих, на самом деле не дым, а пар.

В результате работы ядерного реактора действительно образуются радиоактивные отходы, и они могут быть опасны, если с ними неправильно обращаться. Часть этих отходов перерабатывают для дальнейшего использования, а часть приходится держать в хранилищах, чтобы они не причинили вред человеку и окружающей среде.

Шок-контент 😱

Ядерная энергия — самый экологически чистый вид энергии на сегодняшний день.

Атомные электростанции выбрасывают в атмосферу только пар, им необходимо небольшое количество топлива, а еще они занимают малую площадь и при правильном использовании безопасны. Тем не менее, после аварии на Чернобыльской АЭС многие страны приостановили развитие атомной энергетики.

Первая авария на Чернобыльской АЭС произошла в 1982 году. Во время пробного пуска разрушился один из технологических каналов реактора, была деформирована графитовая кладка активной зоны. Пострадавших не было, но последствия ликвидировали около трех месяцев.

В 1986 году произошло ЧП в известном всему миру четвертом энергоблоке. В этом самом энергоблоке проводились испытания турбогенератора. Система аварийного охлаждения была планово отключена, поэтому, когда реактор не смогли остановить, эта система не спасла АЭС от взрыва и пожара.

Взрыв и его последствия не говорят о том, что ядерная энергетика вредна. На самом деле даже бананы радиоактивны, потому что в них содержатся радиоактивные изотопы. Но даже съев около сотни бананов массой 150 г, вы получите всего лишь нормальную суточную дозу радиации. Чтобы банановая радиация навредила человеку, ему придется съесть не меньше тонны. То же и с ядерными реакциями — они приносят вред только в том случае, если их не контролировать.

Виды современных реакторов

Сегодня существует несколько видов ядерных реакторов, но используют в основном два — гомогенные и гетерогенные:

• в гомогенных реакторах ядерное горючее и замедлитель перемешаны;
• в гетерогенных реакторах ядерное горючее и замедлитель находятся отдельно друг от друга.

Еще бывают реакторы, в которых для получения энергии используют уран-238, а не уран-235. Но в таких реакторах сложно отводить тепло, поэтому они довольно редки.

Использование атомной энергии

Атомная энергия используется не только в ядерных реакторах. Например, существуют корабли и подводные лодки, которые работают на атомной энергии.

В начале XXI века из-за высоких цен на нефть были очень актуальны поиски способов использования ядерной энергии. Тогда появились разработки по компактным атомным электростанциям, которые могут работать десятилетиями без обслуживания и к тому же безопасны.

Кроме того, ученые работают над ядерными методами для диагностики и лечения онкологических заболеваний. Есть исследования, которые подтверждают, что радиоактивные изотопы могут уничтожать раковые клетки.

Карина Хачатурян

К предыдущей статье

157. 5K

Закон всемирного тяготения

К следующей статье

Закон Паскаля

Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке

На вводном уроке с методистом

1. Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению

2. Расскажем, как проходят занятия

3. Подберём курс

Как работает атомная электростанция — T&P

Иллюстрация: Максим Чатский

Все очень просто. В ядерном реакторе распадается Уран-235, при этом выделяется огромное количество тепловой энергии, она кипятит воду, пар под давлением крутит турбину, которая вращает электрогенератор, который вырабатывает электричество.

Науке известен по крайней мере один ядерный реактор естественного происхождения. Он находится в урановом месторождении Окло, в Габоне. Правда, он уже остыл полтора миллиарда лет назад.

Уран-235 — это один из изотопов урана. Он отличается от простого урана тем, что в его ядре не хватает 3 нейтронов, из-за чего ядро становится менее стабильным и распадается на две части, когда в него на большой скорости врезается нейтрон. При этом вылетает еще 2–3 нейтрона, которые могут попасть в другое ядро Урана-235 и расщепить его. И так по цепочке. Это называется ядерной реакцией.

Управляемая реакция

Если не управлять цепной ядерной реакцией и она пойдет слишком быстро, то получится самый настоящий ядерный взрыв. Поэтому за процессом надо тщательно следить и не давать распадаться урану слишком быстро. Для этого ядерное топливо в металлических трубках помещают в замедлитель — вещество, которое замедляет нейтроны и переводит их кинетическую энергию в тепловую.

Для управления скоростью реакции в замедлитель погружают стержни из поглощающего нейтроны материала. Когда эти стержни поднимают, они улавливают меньше нейтронов и реакция ускоряется. Если стержни опустить, то реакция опять замедлится.

Дело техники

Огромные трубы в атомных электростанциях на самом деле никакие не трубы, а градирни — башни для быстрого охлаждения пара.

В момент распада ядро раскалывается на две части, которые разлетаются с бешеной скоростью. Но далеко они не улетают — ударяются о соседние атомы, и кинетическая энергия превращается в тепловую.

Дальше этим теплом нагревают воду, превращая ее в пар, пар крутит турбину, а турбина крутит генератор, который и вырабатывает электричество, точно так же, как в обычной тепловой электростанции, работающей на угле.

Смешно, но вся эта ядерная физика, изотопы урана, цепные ядерные реакции — все для того, чтобы вскипятить воду.

За чистоту

Атомная энергия используется не только в атомных электростанциях. Существуют корабли и подводные лодки, работающие на ядерной энергии. В 50 годы даже разрабатывались атомные автомобили, самолеты и поезда.

В результате работы ядерного реактора образуются радиоактивные отходы. Часть из них можно переработать для дальнейшего использования, часть приходится держать в специальных хранилищах, чтобы они не причинили вред человеку и окружающей среде.

Несмотря на это ядерная энергия сейчас является одним из самых экологически чистых. Атомные электростанции не производят выбросов в атмосферу, требуют очень мало топлива, занимают мало места и при правильном использовании очень безопасны.

Но после аварии на Чернобыльской АЭС многие страны приостановили развитие атомной энергетики. Хотя, например, во Франции почти 80 процентов энергии вырабатывается атомными электростанциями.

В двухтысячных из-за большой цены на нефть все вспомнили о ядерной энергии. Существуют разработки по компактным ядерным электростанциям, которые безопасны, могут работать десятилетими и не требуют обслуживания.

Игорь Гладкобородов

Теги

#просто о сложном

#научпоп

#электричество

#наука

• 161 789

NUCLEAR 101: Как работает ядерный реактор?

Офис
Ядерная энергия

29 марта 2021 г.

Ядерные реакторы — сердце атомной электростанции.

Они содержат и контролируют цепные ядерные реакции, которые производят тепло посредством физического процесса, называемого делением. Это тепло используется для производства пара, который вращает турбину для выработки электроэнергии.

Имея более 440 коммерческих реакторов по всему миру, в том числе 92 в США, атомная энергетика продолжает оставаться одним из крупнейших доступных источников надежной безуглеродной электроэнергии.

Ядерное деление создает тепло

Основная задача реактора — поддерживать и контролировать ядерное деление — процесс, в котором атомы расщепляются и высвобождают энергию.

Деление и синтез: в чем разница?

Реакторы используют уран в качестве ядерного топлива. Уран перерабатывается в небольшие керамические гранулы и укладывается в герметичные металлические трубки, называемые топливными стержнями. Как правило, более 200 таких стержней связываются вместе, образуя топливную сборку. Активная зона реактора обычно состоит из пары сотен сборок, в зависимости от уровня мощности.

Внутри корпуса реактора топливные стержни погружены в воду, которая действует как теплоноситель и замедлитель. Замедлитель помогает замедлить нейтроны, образующиеся при делении, чтобы поддерживать цепную реакцию.

Затем в активную зону реактора можно вставить управляющие стержни, чтобы уменьшить скорость реакции, или вынуть, чтобы увеличить ее.

Тепло, создаваемое ядерным делением, превращает воду в пар, который вращает турбину для производства безуглеродного электричества.

Типы легководных реакторов в США       

Все коммерческие ядерные реакторы в США являются легководными реакторами. Это означает, что они используют обычную воду в качестве теплоносителя и замедлителя нейтронов.

В Америке работают два типа легководных реакторов.

Реакторы с водой под давлением

Графика Сары Харман | Министерство энергетики США

Более 65% коммерческих реакторов в США являются водо-водяными реакторами или PWR. Эти реакторы закачивают воду в активную зону реактора под высоким давлением, чтобы вода не закипела.

Вода в активной зоне нагревается за счет ядерного деления, а затем перекачивается в трубы внутри теплообменника. Эти трубки нагревают отдельный источник воды для создания пара. Затем пар вращает электрический генератор для производства электроэнергии.

Вода в активной зоне возвращается в реактор для повторного нагрева, и процесс повторяется.

Реакторы с кипящей водой

Графика Сары Харман | Министерство энергетики США

Примерно треть реакторов, работающих в США, являются реакторами с кипящей водой (BWR).

BWR нагревают воду и производят пар непосредственно внутри корпуса реактора. Вода прокачивается через активную зону реактора и нагревается за счет деления. Затем трубы подают пар непосредственно в турбину для производства электроэнергии.

Неиспользованный пар затем конденсируется обратно в воду и повторно используется в процессе нагрева.

Подписывайтесь на нас

Как работает ядерный реактор

Ядерные реакторы — это, по сути, большие котлы, которые используются для нагрева воды для производства огромного количества электроэнергии с низким содержанием углерода. Они бывают разных размеров и форм и могут работать на различных видах топлива.

Атомная электростанция Ringhals с четырьмя реакторами, способными обеспечить 20 % потребности Швеции в электроэнергии (Изображение: Vattenfall) где частица («нейтрон») стреляет в атом, который затем делится на два меньших атома и несколько дополнительных нейтронов. Некоторые из нейтронов, которые высвобождаются, затем попадают на другие атомы, заставляя их тоже делиться и высвобождая больше нейтронов. Это называется цепной реакцией.

Деление атомов в цепной реакции также приводит к высвобождению большого количества энергии в виде тепла. Вырабатываемое тепло отводится из реактора циркулирующей жидкостью, обычно водой. Затем это тепло можно использовать для производства пара, который приводит в действие турбины для производства электроэнергии.

Чтобы гарантировать, что ядерная реакция протекает с нужной скоростью, в реакторах есть системы, которые ускоряют, замедляют или останавливают ядерную реакцию и выделяемое ею тепло. Обычно это делается с помощью регулирующих стержней, которые обычно изготавливаются из материалов, поглощающих нейтроны, таких как серебро и бор.

Два примера ядерного деления урана-235, наиболее часто используемого топлива в ядерных реакторах.

Ядерные реакторы бывают разных форм и размеров: в некоторых для охлаждения активной зоны используется вода, в других – газ или жидкий металл. В наиболее распространенных типах энергетических реакторов используется вода, при этом более 90% мировых реакторов основаны на воде. Дополнительную информацию о множестве различных типов реакторов по всему миру можно найти в разделе «Атомные энергетические реакторы» Информационной библиотеки.

Ядерные реакторы очень надежны в выработке электроэнергии, способны работать 24 часа в сутки в течение многих месяцев, если не лет, без перерыва, независимо от погоды и времени года. Кроме того, большинство ядерных реакторов могут работать в течение очень длительного периода времени — во многих случаях более 60 лет. В 2019 году энергоблоки 3 и 4 на АЭС «Турки-Пойнт» во Флориде стали первыми реакторами в мире, получившими лицензию на 80 лет эксплуатации.

Заправка реактора (Изображение: Vattenfall)

Что питает реактор?

В качестве топлива для реактора может использоваться ряд различных материалов, но чаще всего используется уран. Уран в изобилии, и его можно найти во многих местах по всему миру, в том числе в океанах. Можно использовать и другие виды топлива, такие как плутоний и торий.

Большинство современных реакторов содержат несколько сотен тепловыделяющих сборок, каждая из которых содержит тысячи маленьких таблеток уранового топлива. Одна пеллета содержит столько же энергии, сколько содержится в одной тонне угля. Типичный реактор требует около 27 тонн свежего топлива в год. Напротив, угольной электростанции аналогичного размера потребуется более двух с половиной миллионов тонн угля для производства такого же количества электроэнергии.

Таблетки ядерного топлива ненамного больше кусочка сахара (Изображение: Казатомпром)

Как насчет отходов?

Как и любая отрасль, атомная промышленность производит отходы. Однако, в отличие от многих других отраслей, ядерная энергетика производит очень мало энергии и полностью содержит и управляет тем, что производит. Подавляющее большинство отходов атомных электростанций малорадиоактивны, и в течение многих десятилетий с ними ответственно обращались и утилизировали. Если бы атомная энергия использовалась для обеспечения потребностей человека в электроэнергии в течение всего года, то образовалось бы всего около 5 граммов высокорадиоактивных отходов, что равно весу листа бумаги.