Физика

Атомная энергетика. АЭС. Неблагоприятные экологические последствия

В современном мире проблема получения энергии стоит очень остро. Запасы газа и нефти могут закончиться, электростанции на возобновляемых источниках – солнечные, ветряные, водные – не достаточно эффективны, чтобы удовлетворить мировые потребности

Поэтому атомная энергетика является очень важной и, можно сказать, незаменимой отраслью

Первая в мире атомная электростанция (АЭС) была введена в эксплуатацию в России, в Обнинске в 1954 году. АЭС обладает многочисленными преимуществами перед другими типами электростанций:

• небольшой объем топлива, которое необходимо для работы (всего 2 грамма урана выделяют энергии столько же, сколько 5 тонн нефти при переработке);
• по сравнению с тепловыми электростанциями (те, которые работают за счет сжигания топлива – нефти, газа и т.д.) АЭС являются гораздо более экологическими чистыми, потому что радиоактивные изотопы быстро распадаются на нерадиоактивные.

Однако АЭС присущ и ряд недостатков.

В первую очередь, развитие атомной энергетики идет параллельно с развитием ядерного оружия, которое может угрожать безопасности всего мира. Единственный способ уладить эту проблему – договоренности между странами. Этим вопросом так же занимается Международное агентство по атомной энергии при ООН (МАГАТЭ). Эта организация следит за безопасным применением достижений атомной энергетики и нераспространением ядреного оружия.

Следующей проблемой является утилизация радиоактивных отходов, образующихся в процессе эксплуатации АЭС. Эти отходы необходимо, во-первых, минимизировать. Во-вторых, необходимо разрабатывать и применять технологии по переработке (скреплению и связыванию) радиоактивных отходов. В-третьих, отходы необходимо изолировать от биосферы и человека за счет создания захоронений разных типов.

Энергия связи. Дефект масс

Как уже было сказано выше, в ядре действуют ядерные силы, удерживающие частицы вместе. Значит, для того, чтобы расщепить ядро на составляющие, необходимо произвести работу против этих сил. Другими словами, нужно сообщить ядру энергию для преодоления притяжения ядерных сил.

Минимальная энергия, необходимая для разрыва ядра на составляющие, называется энергией связи ядра.

Как же найти эту энергию связи? Над этим трудился знаменитый ученый Альберт Эйнштейн. Он открыл закон о взаимосвязи массы и энергии:

где E – энергия покоя тела массой m. А с– скорость света в вакууме (300 000 км/с).

То есть, если рассуждать логически, энергия покоя ядра должна быть равна суммарной энергии покоя всех частиц его составляющих. Однако это не так. Опытным путем было доказано, что масса ядра (М_я) всегда немного меньше суммарной массы нуклонов (М_р+ М_n), из которых оно состоит:

Разница между суммарной массой нуклонов (М_р+ М_n) и массой ядра (М_я) называется дефектом масс:

Нейтроны — герои реактора

Атом состоит из трёх основных элементов: электронов, протонов и нейтронов. 

Электроны — это маленькие частицы, которые вращаются вокруг ядра атома. Они носят отрицательный электрический заряд и участвуют в создании электричества и химических реакциях. 

Протоны — такие же частицы, но с положительным зарядом. Они находятся в ядре атома. Их задача — удержать электроны внутри атома. Это возможно благодаря электрическому заряду. Положительный заряд протонов притягивает отрицательные электроны. Сила этого притяжения помогает удерживать электроны вокруг ядра, образуя атом и сохраняя его структуру.

Нейтроны — частицы без электрического заряда. Их задача — «связывать» протоны друг с другом в ядре, не давая им отталкиваться. От нейтронов зависит стабильность атомов.

В цепной ядерной реакции в контексте атомной энергетики нейтроны играют важную роль. 

• Заставляют атомы в ядерном топливе делиться. Когда нейтрон сталкивается с атомным ядром, это вызывает деление атома, сопровождаясь высвобождением энергии и дополнительных нейтронов.
• Распространяют реакции. Высвобожденные нейтроны сталкиваются с другими атомами и вызывают их деление. Это порождает дополнительные нейтроны, которые вызывают деление других атомов, и так далее. Благодаря этому энергия в ядерных реакторах высвобождается постоянно.

Как запускают ядерный реактор?

С самим принципом работы мы разобрались, но как запустить и заставить реактор функционировать? Грубо говоря, вот он — кусок урана, но ведь цепная реакция не начинается в нем сама по себе. Дело в том, что в ядерной физике существует понятие критической массы.

Ядерное топливо

При помощи ТВЭЛов и управляющих стержней в ректоре сначала создается критическая масса ядерного топлива, а потом реактор в несколько этапов выводится на оптимальный уровень мощности.

В данной статье мы постарались дать Вам общее представление об устройстве и принципе работы ядерного (атомного) реактора. Если у Вас остались вопросы по теме или в университете задали задачу по ядерной физике – обращайтесь к специалистам нашей компании. Мы, как обычно, готовы помочь Вам решить любой насущный вопрос по учебе. А пока мы этим занимаемся, Вашему вниманию очередное образовательное видео!

Атомная энергия урана

В процессе распада ядра урана-235 я ядерном реакторе выделяется колоссальное количество тепловой энергии, которая кипятит воду. Пар от кипящей воды под высоким давлением заставляет крутиться турбину, вращающую электрогенератор, который вырабатывает электричество. Энергия распада урана используется на атомных электростанциях.На планете существует один ядерный реактор естественного происхождения. Он расположен в урановом месторождении Окло, в Габоне. Однако, он является остывшим уже полтора миллиарда лет.Если бы ученые не управляли цепной ядерной реакцией, то она происходила бы крайне быстро, и заканчивалась бы ядерным взрывом. Именно поэтому за процессом тщательно следят и не дают распадаться урану слишком быстро. Чтобы этого не происходило, ядерное топливо в металлических трубках опускают в замедлитель — состав, который замедляет нейтроны и превращает их кинетическую энергию в тепловую.Чтобы управлять скоростью реакции в замедлитель нужно погрузить стержни, которые будут поглощать нейтроны. При поднятии стержней, они улавливают меньше нейтронов, вследствие чего реакция протекает более быстро. Потом стержни опускают, и реакция снова замедляется.Огромного размера трубы в атомных электростанциях фактически совершенно не трубы, а градирни — башни, в которых происходит охлаждение пара.В процессе распада ядро раскалывается на две половины, разлетающиеся с колоссальной скоростью. Тепло, которое выделяется во время этого процесса, нагревает воду. Вода становится паром, который крутит турбину, а турбина в свою очередь крутит генератор, вырабатывающий электричество. Принцип тот же, что и в случае с обычной тепловой электростанцией, которая работает на угле.Фактически цепная ядерная реакция нужна всего лишь для того, чтобы закипятить воду.Результатом работы ядерного реактора является образование радиоактивных отходов. Некоторые из них подвергают переработке, чтобы использовать дальше. Но определенные отходы приходится содержать в особых хранилищах для того, чтобы они не навредили людям и природе.Однако, невзирая на этот факт, ядерную энергию сегодня даже экологи называют одной из самых экологически чистых. Из атомных электростанций не поступают выбросы в атмосферу, им нужно очень мало топлива для работы, они занимают небольшую площадь и при грамотном использовании очень безопасны.В тоже время, после аварии на Чернобыльской АЭС очень многие государства приостановили развитие атомной энергетики. Но через четверть века о ней все же вспомнили, вследствие довольно высокой стоимости нефти. Сегодня во Франции практически 80 процентов энергии вырабатывается атомными электростанциями.

Принцип работы ядерного (атомного) реактора

У любого ядерного реактора есть несколько частей: активная зона с топливом и замедлителем, отражатель нейтронов, теплоноситель, система управления и защиты. В качестве топлива в реакторах чаще всего используются изотопы урана (235, 238, 233), плутония (239) и тория (232).  Активная зона представляет собой котел, через который протекает обычная вода (теплоноситель). Среди других теплоносителей реже используется «тяжелая вода» и жидкий графит. Если говорить про работу АЭС, то ядерный реактор используется для получения тепла. Само электричество вырабатывается тем же методом, что и на других типах электростанций — пар вращает турбину, а энергия движения преобразуется в электрическую энергию.

Приведем ниже схему работы ядерного реактора.

Схема ядерного реактора на АЭС

Как мы уже говорили, при распаде тяжелого ядра урана образуются более легкие элементы и несколько нейтронов. Образовавшиеся нейтроны сталкиваются с другими ядрами, также вызывая их деление. При этом количество нейтронов растет лавинообразно.

Здесь нужно упомянуть коэффициент размножения нейтронов. Так, если этот коэффициент превышает значение, равное единице, происходит ядерный взрыв. Если значение меньше единицы, нейтронов слишком мало и реакция угасает. А вот если поддерживать значение коэффициента равным единице, реакция будет протекать долго и стабильно.

Цепная реакция

Вопрос в том, как это сделать? В реакторе топливо находится в так называемых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах). Это стержни, в которых в виде небольших таблеток находится ядерное топливо. ТВЭЛы соединены в кассеты шестигранной формы, которых в реакторе могут быть сотни. Кассеты с ТВЭЛами располагаются вертикально, при этом каждый ТВЭЛ имеет систему, позволяющую регулировать глубину его погружения в активную зону. Помимо самих кассет среди них располагаются управляющие стержни и стержни аварийной защиты. Стержни изготовлены из материала, хорошо поглощающего нейтроны. Так, управляющие стержни могут быть опущены на различную глубину в активной зоне, тем самым регулируя коэффициент размножения нейтронов. Аварийные стержни призваны заглушить реактор в случае чрезвычайной ситуации.

ТВЭЛы, помещенные в топливную кассету

Ядерный реактор. Реактор на медленных нейтронах

На управляемых ядерных реакциях построен принцип действия ядерных реакторов.

Управление ядерным делением осуществляется за счет контролирования количества свободных нейтронов:

• если их число не изменяется, реакция будет поддерживаться в одной степени интенсивности;
• если их число уменьшается, реакция со временем прекратится;
• если число свободных нейтронов увеличивается, возникает лавинообразная реакция деления – это приводит к взрыву.

Реакторы, работающие на изотопе урана-235 называются реакторами на медленных нейтронах (выше было сказано, что уран хорошо делится только под воздействием нейтронов с небольшими скоростями).

Рассмотрим принцип действия ядерного реактора (см. рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема устройства ядерного реактора (АЗ – активная зона, О – отражатель, ЗО – защитная оболочка, УС – управляющие стержни, ТН – теплоноситель, Н – насос, ТО – теплообменник)

Топливо (уран-235) помещают в активную зону (АЗ). Естественно, масса топлива в реакторе должна быть больше критической массы. Вокруг АЗ находится отражатель (О). Активная зона и отражатель окружены специальной защитной оболочкой (ЗО), как правило, это бетон. В активную зону погружены управляющие стержни (УС), состоящие из вещества, хорошо поглощающего нейтроны.

Когда управляющие стержни полностью погружены в АЗ ядерного реактора реакция идти не может. Чтобы запустить реактор необходимо начать выводить УС из активной зоны. Как только реакция началась, осколки ядер урана и нейтроны попадают в замедлитель, который здесь служит так же и теплоносителем (ТН) – в рассматриваемом реакторе это вода. Осколки и свободные нейтроны отдают воде свою энергию. Нагретая вода из АЗ идет в теплообменник (ТО). Циркуляцию воду обеспечивает насос (Н).

Нагретая вода специальным устройством превращается в пар, которые поступает на турбину и вращает ее (все это не вошло на рисунок), а турбина, в свою очередь запускает генератор электрического тока. Таким образом, тепловая энергия воды превращается в механическую энергию вращения турбины, а она в электричество.

Из-за того, что рассмотренный тип реактора по сути только лишь нагревает воду, в профессиональных кругах шутят, что такой реактор – это просто большой кипятильник.

Зачем нам графитовые стержни

Контролировать ядерную реакцию важно по нескольким причинам

• Безопасность. Энергия, высвобождающаяся в ходе цепной реакции, может перегреть реактор и даже привести к аварии. Если поток нейтронов увеличивается, растёт температура в реакторе и повышается паросодержание. Реакторы спроектированы так, что повышение паросодержания в активной зоне вызовет ускоренное поглощение нейтронов и остановит цепную реакцию. 
• Работа без сбоев. Графитовые стержни поддерживают стабильное производство тепла в реакторе. А далее тепло используют для генерации пара в турбинах, которые производят электроэнергию.
• Долгий срок службы. Мощность реактора растёт быстро, поэтому легко может стать неуправляемой. Стержни оставляют мощность реактора на безопасном уровне, что продлевает срок службы оборудования. 

Энергия связи атомных ядер

Подробности

Обновлено 20.07.2018 21:21

«Физика — 11 класс»

Важнейшую роль во всей ядерной физике играет понятие энергии связи ядра.
Энергия связи позволяет объяснить устойчивость ядер, выяснить, какие процессы ведут к выделению ядерной энергии.
Нуклоны в ядре прочно удерживаются ядерными силами.
Для того чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить довольно большую работу, т. е. сообщить ядру значительную энергию.

Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны.
На основе закона сохранения энергии можно также утверждать, что энергия связи ядра равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Энергия связи атомных ядер очень велика.
Как ее определить?

В настоящее время рассчитать энергию связи теоретически, подобно тому как это можно сделать для электронов в атоме, не удается.
Выполнить соответствующие расчеты можно, лишь применяя соотношение Эйнштейна между массой и энергией:

Е = mс2

Точнейшие измерения масс ядер показывают, что масса покоя ядра Мя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов:

М_я < Zm_p + Nm_n

Существует дефект масс: разность масс

ΔM = Zm_p + Nm_n — М_я

положительна.
В частности, для гелия масса ядра на 0,75% меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов.
Соответственно для гелия в количестве вещества один моль ΔM = 0,03 г.

Уменьшение массы при образовании ядра из нуклонов означает, что при этом уменьшается энергия этой системы нуклонов на значение энергии связи Е_св:

Е_св = AM с2 = (Zm_p + Nm_n — М_я) с2

Но куда при этом исчезают энергия Е_св и масса ΔM?

При образовании ядра из частиц последние за счет действия ядерных сил на малых расстояниях устремляются с огромным ускорением друг к другу.
Излучаемые при этом γ-кванты как раз обладают энергией Е_св и массой

Энергия связи — это энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц, и соответственно это та энергия, которая необходима для расщепления ядра на составляющие его частицы.

О том, как велика энергия связи, можно судить по такому примеру: образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, что и при сгорании 1,5—2 вагонов каменного угля.

Важную информацию о свойствах ядер содержит зависимость удельной энергии связи от массового числа А.

Удельной энергией связи называют энергию связи, приходящуюся на один нуклон ядра.
Ее определяют экспериментально.
Из рисунка хорошо видно, что, не считая самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон.
Отметим, что энергия связи электрона и ядра в атоме водорода, равная энергии ионизации, почти в миллион раз меньше этого значения.
Кривая на рисунке имеет слабо выраженный максимум.
Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы.
Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет возрастающей с увеличением Z кулоновской энергии отталкивания протонов.
Кулоновские силы стремятся разорвать ядро.

Следующая страница «Ядерные реакции»

Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц —
Открытие радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения —
Радиоактивные превращения —
Закон радиоактивного распада. Период полураспада —
Открытие нейтрона —
Строение атомного ядра. Ядерные силы. Изотопы —
Энергия связи атомных ядер —
Ядерные реакции —
Деление ядер урана —
Цепные ядерные реакции —
Ядерный реактор —
Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии —
Получение радиоактивных изотопов и их применение —
Биологическое действие радиоактивных излучений —
Краткие итоги главы —
Три этапа в развитии физики элементарных частиц —
Открытие позитрона. Античастицы

Биологическое действие радиации. Поглощенная доза излучения. Коэффициент качества излучения. Период полураспада. Закон радиоактивного распада

Безопасная эксплуатация АЭС – это очень сложный процесс, в котором нет мелочей и к которому нужно относиться максимально серьезно, так как биологическое действие радиации крайне разрушительно.

Все три вида радиации (альфа-распад, бета-распад и гамма-излучение) ионизируют среду, через которую они проходят: то есть выбивает электроны из молекул, составляющих вещество. Для живого организма такое воздействие очень вредно. Как же измеряется это воздействие? Для этого ввели такую характеристику, как поглощенная доза излучения.

Поглощенная доза излучения (D) – это поглощенная веществом энергия ионизирующего излучения (Е) в расчете на единицу массы(m):

Один грэй – это такая доза поглощенного излучения, которую получает тело массой 1 кг при передаче ему 1 Дж энергии излучения.

Но разные типы излучения оказывают различное по своей разрушительности воздействие на живые организмы: например, альфа-излучение оказывает действие в 20 раз более сильное, чем бета-излучение. Для того, чтобы описать это все количественно, ввели еще одну величину – коэффициент качества излучения.

Коэффициент качества (К)–это характеристика, которая показывает во сколько раз опасность воздействия излучения на живой организм больше, чем опасность от воздействия на тот же организм гамма-излучения при равных поглощенных дозах излучения.

Для объединения двух описанных величин была введена эквивалентная доза излучения (Н):

Она измеряется в зивертах (Зв).

Помимо количественных характеристик на разрушительность действия радиации влияет чувствительность различных частей организма. Например, у человека при облучении легких более вероятно развитие рака, чем при облучении щитовидной железы.

Кроме того, влияние оказывает время воздействия радиации.

Ко всему сказанному следует еще добавить, что различные радиоактивные вещества распадаются с разной скоростью. Для нахождения степени отрицательного воздействия на организм, нужно знать, какая часть радиоактивного вещества уже распалась к интересующему моменту. Для этого необходима еще одна величина – период полураспада (Т).

Период полураспада (Т) – это время, в течение которого распадается ровно половина исходного количества радиоактивных ядер. То есть число радиоактивных ядер уменьшается вдвое.

Рассчитать количество нераспавшихся ядер (N)можно с помощью закона радиоактивного распада:

Где N – количество не распавшихся ядер, N – исходное количество ядер, t–время, прошедшее с начала эксперимента, (Т) – период полураспада.

Напоследок поговорим о способах защиты от радиоактивного излучения.

Альфа-излучение из всех видов радиации обладает наименьшей проникающей способностью. Для защиты от него достаточно листа бумаги, одежды человека или любой другой преграды. Однако, при попадании внутрь (например, с едой) оно представляет огромную опасность.

От бета-излучения защититься несколько сложнее, так как проникающая способность у него больше: необходима стенка из алюминия толщиной в несколько миллиметров или толстое стекло.

От гамма-излучения защититься очень тяжело. Необходим толстый бетонный слой или же толста свинцовая стенка.

Откуда берется энергия?

Огромная способность выполнять работу, которая высвобождается из этого расщепления, происходит от того, как сильно протоны отталкиваются друг от друга с помощью кулоновской силы удерживаемой вместе сильным взаимодействием. Каждый протон толкает другой протон с силой около 20 Н, примерно силой руки, лежащей на коленях человека. Это невероятно огромная сила для таких маленьких частиц. Эта огромная сила на небольшом расстоянии приводит к значительному количеству высвобождаемых ресурсов, которые достаточно велики, чтобы вызвать измеримое уменьшение массы.

Это означает, что общая масса каждого из осколков деления оказывается меньше массы исходного ядра. Эта недостающая масса известна как дефект массы.

Удобно говорить о количестве энергии, которая связывает ядра вместе. Все ядра имеют эту связь, кроме водорода (который имеет только 1 протон и нет нейтронов)

Важно отметить про энергию связи, доступную каждому нуклону (общее название протона и нейтрона). Это называется энергией связи нуклона, а, по существу, сколько работы требуется на нуклон, чтобы отделить ядро

Продукты деления более стабильны, что означает, что их труднее разделить. Поскольку энергия связи на нуклон для продуктов деления выше, их общая нуклонная масса ниже.
В результате деления энергия связи атомного топлива высвобождается, образуя более низкую массу приводя к производству способности выполнять работу.

По сути, дефект массы и энергия являются взаимозаменяемыми терминами. Дефект массы – физическая величина характеризующая устойчивость атомных ядер. Вот откуда берется ядерная энергия.

Деление ядер урана

Ядра урана  при бомбардировке их нейтронами могут делиться. Рассмотрим этот процесс подробнее. На рисунке 1 схематично изображено ядро урана, по направлению к которому летит нейтрон.

Рисунок 1 – Ядро нейтрона сталкивается с ядром урана

После столкновения ядро урана вытягивается в длину (см. рисунок 2) и становится похожим на объемную восьмерку.

Рисунок 2 – Ядро урана вытянулось после столкновения с нейтроном

В ядре действуют силы двух природ – электрической (отталкивания) и ядерной (притягивания). Ядерные силы преобладают над электрическими на коротких расстояниях. Однако, когда ядро вытянулось, электрические силы отталкивания берут верх над ядерными и ядро разрывается на две части и несколько свободных нейтронов (см. рисунок 3).

Рисунок 3 – Ядро урана разделилось на две части и несколько нейтронов

Так как получившиеся части урана отталкиваются друг от друга, при разрыве им сообщается некая скорость. Куски атома разлетаются в разные стороны, постепенно замедляясь из-за столкновений с атомами среды, в которой они находятся. То есть образовавшиеся ядра сообщают среде энергию. Значит, среда будет нагреваться.

Это очень важная особенность: деление ядер урана сопровождается выделением энергии в окружающую среду.

Если делящихся ядер будет много, повышение температуры среды будет очень заметным.

Взаимное превращение массы и энергии

В 1905 году ученый Эйнштейн высказал очень важное положение, указав на связь энергии с массой тел. Масса тел, по теории Эйнштейна, зависит от энергии, тогда как ранее думали, что она строго постоянна

Всякая энергия проявляется в конечном счете как масса

Масса тел, по теории Эйнштейна, зависит от энергии, тогда как ранее думали, что она строго постоянна. Всякая энергия проявляется в конечном счете как масса.

Отсюда следовало, что если добиться возможности-уменьшения массы, то будет достигнута возможности-освобождения энергии.

При этом легко сказать, какое количество энергии появится взамен потерянной массы, так как каждый грамм; массы соответствует 25 миллионам киловаттчасов, или 22 миллиардам калорий, или примерно такой энергии, которую в состоянии дать целый поезд угля.

Совершенно очевидно, что даже ничтожное изменение массы должно сопровождаться выделением огромного количества энергии.

Открытие Эйнштейна не только дало объяснение того, где лежит источник энергии радиоактивных элементов, но оно проложило путь человеку к новым источникам энергии.

Громадная энергия, связанная радиоактивными элементами, указывала на то, что здесь иногда при превращении одного элемента в другой масса уменьшается и ядро атома является, таким образом, новым источником энергии. Чтобы можно было пользоваться энергией из этого источника, нужно лишь научиться по своему желанию и достаточно быстро производить то расщепление ядра атома подходящих веществ, которое в природе происходит лишь у радиоактивных элементов, и то большей частью очень медленно.

Перспективы получения энергии новым путем, не говоря уже о целом ряде других важных вопросов, заставили ученых искать прежде всего пути к расщеплению ядра и превращению одного элемента в другой. Можно было думать, что это удастся сделать при помощи «альфа»-частиц, если эти частицы имеют достаточно большой вес и, главное, скорость. Упомянутая ранее «альфа»-частица при своем вылете имеет громадную скорость, доходящую до 30 миллионов метров в секунду. Это составляет 1/10 скорости света. Масса этой частицы также довольно значительна — она превосходит массу электрона в 7 тысяч раз.

Как работает АЭС

Энергия деления ядер урана используется в атомных электростанциях (АЭС). Процесс деления урана очень опасен. Поэтому ядерные реакторы окружают плотные защитные оболочки. Распространен тип реактора с водой под давлением.

Теплоносителем является вода. Холодная вода поступает в реактор под очень высоким давлением, которое препятствует ее закипанию.

Холодная вода, проходя через активную зону реактора, действует также как замедлитель — замедляет быстрые нейтроны, чтобы они ударялись о ядра урана и вызывали цепную реакцию.

Ядерное топливо (уран) находится в активной зоне в виде стержней тепловыделяющей сборки. Топливные стержни в сборке чередуются с управляющими стержнями, которые регулируют скорость деления ядер, поглощая быстрые нейтроны.

При делении высвобождается большое количество тепла. Нагретая вода покидает активную зону под давлением с температурой 300?С и поступает в энергетическую установку, в которой распложены генераторы и турбины.

Горячая вода из реактора нагревает воду второго контура до кипения. Пар направляется к лопастям турбины и вращает ее. Вращающийся вал передает энергию генератору. В генераторе механическая энергия вращения преобразуется в электрическую. Пар охлаждается и вода возвращается обратно в реактор.

В результате этих сложных процессов атомная электростанция вырабатывает электрический ток.

Как видите, расщепляемый изотоп находится в топливных стержнях, расположенных в активной зоне реактора, образуя критическую массу. Управляют ядерной реакцией при помощи управляющих стержней, изготовленных из бора или кадмия. Управляющие стержни, как и топливные, располагаются в активной зоне реактора и, подобно губке, поглощающей воду, действуют на нейтроны, поглощая их. Оператор АЭС, регулируя количество управляющих стержней в активной зоне реактора, управляет скоростью ядерного процесса: замедляет его, опуская управляющие стержни в активную зону реактора; либо ускоряет — поднимая стержни.

Казалось бы, все замечательно — атомная энергетика является неиссякаемым высокотехнологичным источником электроэнергии и за ней будущее. Так люди думали до 26 августа 1986 года. Авария на четвертом блоке Чернобыльской АЭС все перевернула с «ног на голову» — «мирный» атом оказался не таким уж и мирным, если обращаться с ним пренебрежительно.

Ядерные силы

По современным представлением ядро атома состоит из частиц, называемых элементарными – протонов и нейтронов (общее название – нуклоны).

Рис. 1. Состав ядра атома.

Нуклоны похожи, но протон имеет положительный заряд и стабилен. Нейтрон не имеет заряда и в свободном состоянии распадается (период полураспада ~ 10 мин).

Казалось бы, существование ядер, состоящих из многих нуклонов невозможно – протоны, обладающие одинаковым зарядом, должны разлетаться. Нестабильные нейтроны должны распадаться.

Однако, в реальности многие атомы стабильны. Это происходит в результате ядерного взаимодействия. Ядерные силы на два порядка сильнее кулоновских сил, и их с запасом хватает на преодоление отталкивания протонов.

Рис. 2. Ядерные силы.

Но, если переносчики кулоновского взаимодействия – фотоны – не имеют массы покоя, и переносят взаимодействие на неограниченное расстояние, переносчики ядерного взаимодействия – глюоны или составленные из них мезоны – имеют массу, и осуществляют перенос взаимодействие на очень малые расстояния. В результате стабильными должны быть только ядра с очень небольшим числом протонов без нейтронов.

Преимущества атомной энергетики

Когда мы думаем о ядерной энергии, мы думаем о ней как о мощной энергии, с которой очень опасно обращаться. Если говорить об этом, неизбежно возникают мысли об атомных бомбах Хиросимы и Нагасаки и катастрофах в Чернобыле и Фукусиме. Однако на АЭС не все так плохо. Использование этой энергии дает множество преимуществ.

Вопреки общему мнению, это достаточно чистая энергия и не требует ископаемого топлива. Если радиоактивные отходы хорошо контролируются, они не выделяют никаких загрязняющих веществ. Это помогает снизить выбросы загрязняющих газов в атмосферу и снизить глобальное потепление.
Его гарантия подачи электроэнергии постоянная, то есть он обеспечивает нас электричеством 24 часа в сутки, 365 дней в году.
Поскольку его производство является постоянным, цены также постоянны

Нефть зависит от решения многих компаний, и ее цена постоянно меняется.

Атомная энергия дешевая если мы примем во внимание количество энергии, которое оно способно произвести. Для производства ядерной энергии требуется гораздо меньше сырья (урана или плутония) с последующей экономией материалов (уран составляет почти четверть расходов на производство ядерной энергии), а также транспорта, хранения, инфраструктуры для добычи и т

Д.
Это не зависит от природных или экологических факторов, таких как возобновляемые источники энергии.

https://youtube.com/watch?v=GmIOPaoYpFg

Как видите, ядерная энергия достаточно развита, и, хотя здесь больше думают о радиации и раке, это хороший вариант избежать глобального потепления.

Что такое ядерный реактор

Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит постоянная контролируемая ядерная реакция с целью получения электроэнергии.

Другими словами, это устройство, внутри которого происходит превращение одного вещества (ядерное топливо) в другое (пар) с выделением огромной тепловой энергии.  

История создания 

Развитие ядерной энергетики связано с именем французского химика Антуана Анри, который занимался изучением урана и обнаружил его радиоактивность. Позже Пьер и Мария Кюри смогли выделить из солей урана полоний и радий. 

Первая ядерная установка была создана в США Э. Ферми в 1942 году. В 1945 году вторым выпущенным в мире реактором стал ZEEP в Канаде. А в 1946 году под руководством И. В. Курчатова ядерный реактор сконструировали и в СССР. Первые такие устройства сильно отличались от современных, они не имели системы охлаждения и обладали минимальной мощностью. Но они дали толчок к развитию атомной энергетики во всем мире. Первая атомная электростанция была построена в Обнинске. 

Устройство реактора, главные комплектующие элементы агрегата

Строение реакторов, независимо от их типа, одинаковое:

1. Активная зона, в которой находятся ядерное топливо и замедлитель быстрых нейтронов. В этой зоне происходит управляемая реакция деления ядер. В качестве замедлителя может использоваться обычная вода, «тяжёлая» вода, жидкий графит и др. 
2. Отражатель нейтронов вокруг активной зоны. 
3. Теплоноситель, который выводит энергию, образующуюся при делении ядер в активной зоне. Теплоносителем может выступать вода, жидкий натрий и др. 
4. Система управления ядерной реакцией. Представляет собой стержни, содержащие кадмий и бор. Для регулирования скорости реакции их при необходимости вводят в активную зону для поглощения лишних нейтронов. 
5. Защитная система, которую делают из бетона с железным наполнителем. Она надежно удерживает нейтроны и радиационное излучение. 
6. Система дистанционного управления. 

Принцип работы 

Работу реакторной установки можно сравнить с функционированием обычной печи. Только используются не уголь и дрова, а ядерное топливо. В отличие от печи, пламени не видно, так как реакция происходит на уровне деления ядер. Ядра распадаются на мелкие частицы, которые в свою очередь становятся источниками образования нейтронов. За счет этого процесса происходит высвобождение большого количества энергии. Освобожденная энергия нагревает воду, преобразуя ее в пар. Пар вращает турбину генератора, преобразуя энергию движения в электроэнергию. 

Данная схема наглядно иллюстрирует принцип работы реакторной установки:

Основной функцией обслуживающего персонала АЭС является регулирование скорости ядерной реакции с помощью системы управления в виде стержней, которые операторы вводят в активную зону.