Фізика. З поглибленим вивченням фізики. Повторне видання. 9 клас. Засєкіна

§ 39. Ядерний реактор. Атомні електростанції

Ви дізнаєтесь

• Як працює ядерний реактор

Пригадайте

• Як здійснити самопідтримувану ланцюгову реакцію

Атомна електростанція. У попередньому параграфі ми розглянули умови, що необхідні для здійснення ланцюгової реакції поділу ядер урану. Для потреб енергетики постійно використовують енергію керованої ядерної реакції. Як це здійснюється на практиці?

Керована реакція поділу ядер відбувається в пристрої, який називається ядерним (або атомним) реактором. Перший ядерний реактор був побудований у 1942 р. в США під керівництвом Енріко Фермі. У СРСР перший реактор був побудований у 1946 р. під керівництвом Ігоря Васильовича Курчатова.

На атомних електростанціях України застосовують водо-водяні енергетичні реактори (ВВЕР) корпусного типу, з водою під тиском. Термін «водо-водяний» означає, що сповільнювачем нейтронів і теплоносієм, який відводить тепло, що виділяється в реакторі, служить знесолена вода з розчином бору.

Вода у реакторі перебуває під достатнім тиском для запобігання її закипання і водночас забезпечує високу температуру теплоносія (понад 300 °С). Енергетичний реактор з водою під тиском, концептуально аналогічний західним реакторам PWR. Існує три основних моделі ВВЕР: ВВЕР-1000 і дві модифікації ВВЕР-440.

Теплова схема електростанції — двоконтурна (мал. 208). Перший контур — радіоактивний. Він містить ядерний реактор (1), циркуляційні трубопроводи, головний циркуляційний насос (4). Другий контур — нерадіоактивний. Він включає парогенератор (5), паропроводи, парову турбіну (6) та інші пристрої.

Мал. 208. Схема атомної електростанції: 1 — реактор; 2 — активна зона реактора; 3 — приводи стержнів управління; 4 — головний циркуляційний насос; 5 — парогенератор; 6 — турбіна; 7 — конденсатор; 8 — генератор; 9 — трансформатор; 10 — градирня; 11 — ставок-охолоджувач; 12 — насос

Ядерна реакція протікає в активній зоні реактора (2). Ядерне паливо (низькозбагачений двоокис урану) завантажують у реактор у тепловидільних елементах (ТВЕЛах). В активну зону вводяться також регулюючі стержні (3), що дозволяють керувати швидкістю ланцюгової реакції й підтримувати значення коефіцієнта розмноження нейтронів k = 1. Для повернення нейтронів в активну зону слугує відбивач нейтронів, що її оточує. Завдяки цьому збільшується кількість нейтронів у зоні поділу ядер урану-235.

Оскільки ядерний реактор є потужним джерелом нейтронів і γ-променів, то в ньому передбачено радіаційний захист.

В активній зоні міститься перший контур теплоносія, у якому циркулює вода під високим тиском. Вода в першому контурі нагрівається за рахунок енергії, що виділяється під час реакції поділу ядер урану в тепловидільних елементах (її температура сягає понад 300 °С), і проходить по трубах через паровий генератор. Парогенератор є загальним устаткуванням для першого і другого контурів. Вода другого контура теплоносія у паровому генераторі перетворюється на водяну пару високого тиску. Далі, як і в теплових електростанціях, водяна пара спрямовується на лопаті турбіни (6), що з’єднана з електрогенератором (8).

У сучасних атомних електростанцій (мал. 209) коефіцієнт корисної дії становить близько 30 %. Отже, для виробництва 1000 МВт електричної потужності теплова потужність реактора повинна сягати 3000 МВт. При цьому 2000 МВт забирає вода третього контура, що охолоджує конденсатор. Головна проблема експлуатації ядерних реакторів — це забезпечення повної радіаційної безпеки людей, які працюють на атомних електростанціях, і запобігання випадкових викидів радіоактивних речовин, що у великій кількості накопичуються в активній зоні реактора.

Мал. 209. Запорізька атомна електростанція

Ядерно-енергетичні установки. Ядерні реактори використовують не лише на атомних електростанціях. На морському й космічному транспорті також використовують ядерно-енергетичні установки (мал. 210).

Енергія, що виробляється ядерно-енергетичною установкою, йде на живлення системи управління рухом, автоматики, двигунів, систем радіозв’язку, телеметричної системи, системи, що підтримує постійну температуру в житлових і приладових відсіках, систем життєдіяльності тощо.

Мал. 210. Використання ядерно-енергетичних установок на морському й космічному транспорті

Спочатку найбільшого поширення набули ядерно-енергетичні установки з водо-водяними реакторами під тиском. Згодом стали розробляти реактори з рідкометалевим теплоносієм для охолодження активної зони. Такі реактори мають найменші габарити, а висока температура рідкометалевого теплоносія (близько 600 °С) забезпечує коефіцієнт корисної дії ядерно-енергетичної установки до 40 %.

В Україні діяли й діють потужні наукові школи, що займаються дослідженнями в галузі ядерної енергетики. Так, за участі українських учених і конструкторів були розроблені ядерні реактори для атомних підводних човнів, космічні ядерно-енергетичні установки для розміщення на супутниках та ін.

Некерована ядерна реакція. Окрім «мирного» використання ядерної енергії для потреб людства, існує й «військове» використання енергії атомного ядра — некерована ланцюгова ядерна реакція в атомній бомбі.

Основними елементами атомної бомби є: заряд, оболонка й так званий вибуховий пристрій. Заряд складається з речовини, атомне ядро якої здатне до розщеплення (уран-235, уран-233 і плутоній-239).

Самопідтримувана ланцюгова реакція поділу атомних ядер стає можливою, коли маса речовини перевищує деяку критичну межу. Для урану-235 критична маса становить близько 40 кг, для плутонію-239 — 10-13 кг. Критична маса залежить від ізотопного складу, густини активної речовини й навіть її форми. Щоб запобігти передчасному вибухові, у перших атомних бомбах загальна маса заряду вкладалася в корпус окремими частинами. Кожна із частин мала масу, меншу від критичної. У потрібний момент за допомогою детонатора і звичайної вибухівки частини заряду поєднувалися й відбувався вибух. Схему бомби, що реалізує такий найпростіший «гарматний» механізм, наведено на малюнку 211.

Мал. 211. Будова атомної бомби

Уперше атомну бомбу було розроблено в 40-х роках XX ст. в США. Перше випробування здійснено 16 липня 1945 р. на полігоні неподалік Аламогордо (штат Нью-Мексико).

Наприкінці Другої світової війни на японські міста Хіросіма та Наґасакі вперше були скинуті дві атомні бомби, які призвели до значних людських жертв і руйнувань (мал. 212).

Мал. 212. Перша атомна бомба: а — бомба «Товстун», що була скинута на Наґасакі; б — вибух атомної бомби в Наґасакі в 1945 р.

Основним з факторів ураження атомної бомби є надзвичайно потужна вибухова хвиля, що призводить до суцільних руйнувань в радіусі 1 км від епіцентру вибуху. Окрім вибухової хвилі, уражаючими факторами є також світлове випромінювання й радіація (у тому числі радіоактивні продукти розпаду, що залишаються небезпечними протягом тривалого часу).

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. Чим відрізняються керовані й некеровані ядерні реакції?
• 2. Як виробляють електроенергію на атомній електростанції?
• 3. У чому принципова відмінність між атомними й тепловими електростанціями? Які переваги й недоліки атомних електростанцій?
• 4. Під час вибуху атомної бомби (серпень, 1945 р.) утворилося багато різних радіоактивних елементів. Які з них становили небезпеку тільки в перші години після вибуху, а які можуть загрожувати життю людей і зараз?
• 5*. Яка електрична потужність атомної електростанції, що витрачає за добу 220 г ізотопу урану-235 і має ККД 25 %? Під час поділу одного ядра урану-235 виділяється 200 МеВ енергії (1 МеВ = 1,6 • 10^-19 Дж). В 1 г цього ізотопу 2,6 • 10²¹ атомів.