Підручник Фізика 9 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 4 ФІЗИКА АТОМА ТА АТОМНОГО ЯДРА. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ АТОМНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

§ 36. ЯДЕРНИЙ РЕАКТОР. АТОМНІ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ

Ви дізнаєтесь

- Як працює ядерний реактор

Пригадайте

- Як здійснити самопідтримувану ланцюгову реакцію

Будова ядерного реактора. 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 (мал. 190). 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.

Основними частинами ядерного реактора є активна зона (містить ядерне паливо, є місцем здійснення ланцюгової реакції ядерного поділу та виділення енергії), відбивач нейтронів (повертає нейтрони в активну зону), система регулювання ланцюгової реакції, радіаційний захист і контури теплоносіїв.

Залежно від типу теплоносія розрізняють кілька видів ядерних реакторів. Найпоширенішими є ядерні реактори з киплячою водою та реактори з водою під тиском. У цих реакторах вода використовується і як теплоносій, і як сповільнювач нейтронів.

Головне призначення ядерного реактора полягає в передачі теплоносію енергії, яка виділяється в активній зоні під час поділу ядер урану.

Мал. 190. Схема будови ядерного реактора

Розглянемо принцип дії ядерного реактора з водою під тиском. Ядерна реакція протікає в активній зоні реактора. Ядерне паливо (суміш ізотопів урану з підвищеним до 3 % вмістом урану-235) завантажують у реактор у спеціальних контейнерах, що вміщені в паливні стержні. В активну зону вводяться також регулюючі стержні, 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 -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 паливних стержнях (її температура сягає 300 °С), і проходить по трубах через паровий генератор. Вода другого контура теплоносія циркулює через паровий генератор і конденсатор. У паровому генераторі вона перетворюється у водяну пару високого тиску. Далі, як і в теплових електростанціях, водяна пара спрямовується на лопаті турбіни, що з’єднана з електрогенератором (мал. 191).

Мал. 191. Схема будови атомної електростанції

Атомні електростанції. Розглянутий ядерний реактор є частиною атомної електростанції (АЕС) — комплексу технічних споруд, що призначені для вироблення електричної енергії. В атомній електростанції ядерний реактор відіграє функцію постачальника тепла для нагрівання води й перетворення її на водяну пару. Пара під високим тиском спрямовується в турбіну, сполучену з електрогенератором. Щоб уникнути витоку радіації, контури першого і другого теплоносія замкнуті.

Для охолодження й конденсації пари в конденсаторі застосовується третій контур теплоносія. Зазвичай це вода із природних водойм.

Турбіна атомної електростанції — це теплова машина, що визначає загальну ефективність станції. У сучасних атомних електростанцій 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. Це призводить до локального перегрівання природних водойм і виникнення екологічних проблем. Проте 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.

Ядерно-енергетичні установки. Ядерні реактори використовують не лише на атомних електростанціях. На морському й космічному транспорті також використовують ядерно-енергетичні установки (мал. 192).

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.

Спочатку найбільшого поширення набули ядерно-енергетичні установки з водо-водяними реакторами під тиском, а згодом охолодження активної зони почали здійснювати за допомогою рідкого натрію або рідкого свинцю. 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.

Мaл. 192. Використання ядерно-енергетичних установок на морському й космічному транспорті

Мал. 193. Будова атомної бомби

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 193.

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. 194).

Мал. 194. 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).

Підбиваємо підсумки

- Пристрій, у якому підтримується керована реакція ділення ядер, називається ядерним (атомним) реактором.

- Основними частинами ядерного реактора є активна зона (містить ядерне паливо, є місцем здійснення ланцюгової реакції ядерного поділу й виділення енергії), відбивач нейтронів (повертає нейтрони в активну зону), система регулювання ланцюгової реакції, радіаційний захист і теплоносій.

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.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити