9 класс. Ядерный реактор. Как работает? Принцип действия.

Ядерный реактор — это установка, в которой управляемо происходит цепная ядерная реакция деления тяжёлых атомных ядер. При этом выделяется большое количество тепла, которое затем можно использовать, например, для получения электроэнергии на атомной электростанции.

Главная идея работы ядерного реактора такая: энергия получается не при сжигании топлива, как на обычной тепловой электростанции, а при делении ядер атомов.

В качестве ядерного топлива чаще всего используют уран, например уран-235. Ядро урана-235 может захватить нейтрон. После этого оно становится неустойчивым и распадается на два более лёгких ядра. При делении выделяются:

1. большое количество энергии в виде тепла;

2. несколько новых нейтронов;

3. радиоактивные продукты деления.

Упрощённо процесс можно представить так:

ядро урана + нейтрон → два осколка ядра + новые нейтроны + энергия

Новые нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. Так возникает цепная ядерная реакция.

Если такую реакцию не контролировать, она будет развиваться очень быстро. Именно поэтому в реакторе она должна быть управляемой. В ядерном реакторе поддерживают такое состояние, при котором реакция идёт постоянно, но не разгоняется слишком сильно.

Основные части ядерного реактора:

1. Ядерное топливо

Это вещество, ядра которого делятся под действием нейтронов. Обычно топливо находится в специальных топливных элементах. Они собраны в тепловыделяющие сборки. Именно в топливе выделяется основная энергия.

2. Замедлитель нейтронов

Нейтроны, которые появляются при делении ядер, обычно летят очень быстро. Но ядра урана-235 лучше делятся при попадании в них медленных нейтронов. Поэтому в реакторе используют замедлитель.

Замедлитель уменьшает скорость нейтронов, но не должен сильно их поглощать. В качестве замедлителя могут использоваться вода, тяжёлая вода или графит.

3. Управляющие стержни

Они нужны для регулирования цепной реакции. Управляющие стержни делают из веществ, хорошо поглощающих нейтроны, например из бора или кадмия.

Если стержни глубже опустить в активную зону реактора, они поглотят больше нейтронов. Тогда делений ядер станет меньше, и мощность реактора уменьшится.

Если стержни поднять, нейтронов останется больше. Тогда реакция пойдёт активнее, и мощность увеличится.

При необходимости управляющие стержни можно полностью опустить в активную зону, чтобы остановить реактор.

4. Теплоноситель

При делении ядер выделяется тепло. Его нужно отводить из активной зоны, чтобы реактор не перегрелся. Для этого используется теплоноситель.

Чаще всего теплоносителем является вода. Она проходит через активную зону, нагревается и уносит тепло. В некоторых реакторах могут использоваться другие теплоносители, например газ или жидкий металл.

5. Активная зона

Это главная часть реактора, где находятся ядерное топливо, замедлитель, управляющие стержни и теплоноситель. Именно в активной зоне происходит управляемая цепная реакция.

6. Защитная оболочка

Ядерный реактор окружён прочной защитой. Она нужна для того, чтобы задерживать радиоактивное излучение и защищать людей и окружающую среду. Обычно используются толстые слои бетона, стали и других материалов.

Теперь можно описать принцип действия реактора по шагам.

Сначала в активной зоне находятся топливные элементы с ураном. В ядро урана попадает нейтрон. Ядро урана делится, выделяя энергию и новые нейтроны. Эти нейтроны замедляются замедлителем и могут вызвать деление следующих ядер. Так поддерживается цепная реакция.

Тепло, которое выделяется при делении ядер, нагревает теплоноситель. Нагретый теплоноситель передаёт энергию воде, из которой образуется пар. Пар вращает турбину. Турбина соединена с генератором. Генератор вырабатывает электрический ток.

То есть на атомной электростанции схема примерно такая:

ядерная реакция → тепло → пар → турбина → генератор → электричество

Важно понимать, что сам ядерный реактор не вырабатывает электричество напрямую. Он вырабатывает тепло. А уже это тепло используется для получения пара и вращения турбины, как на обычной тепловой электростанции.

Отличие атомной электростанции от угольной или газовой в том, что источник тепла другой. На угольной станции тепло получают при сжигании угля. На атомной станции тепло получают при делении ядер урана.

Главное условие работы реактора — управление числом нейтронов. Если нейтронов слишком мало, цепная реакция затухает. Если нейтронов слишком много, реакция усиливается. Поэтому управляющие стержни, замедлитель и системы охлаждения играют очень важную роль.

Можно сказать кратко:

Ядерный реактор работает за счёт управляемой цепной реакции деления ядер урана. При делении ядер выделяется тепло. Это тепло отводится теплоносителем и используется для получения пара. Пар вращает турбину, а турбина приводит в действие генератор, который вырабатывает электричество. Реакцией управляют с помощью стержней, поглощающих нейтроны.