Ядерные реакторы в физике

Огромное количество энергии содержится в ядре атомов. Например, один килограмм урана-235 может обеспечить в два-три миллиона раз больше энергии, чем эквивалентный килограмм угля! Если бы озабоченность общественности по поводу безопасности могла быть уменьшена, а технология усовершенствована, тогда ядерная энергетика освободила бы нас от зависимости от наших ограниченных запасов загрязняющего ископаемого топлива.

Ядерная энергетика имеет ряд преимуществ перед невозобновляемыми источниками энергии. Хотя отходы, образующиеся в результате ядерных реакторов, токсичны, радиоактивные отходы в конечном итоге распадаются на безвредные вещества, такие как свинец, хотя на это может потребоваться до 1 миллиона лет. Кроме того, ядерное топливо, такое как уран, намного плотнее, чем традиционное ископаемое топливо, поэтому физически образуется гораздо меньше отходов. Наконец, экологически чистые возобновляемые источники энергии, такие как солнечная или ветровая энергия, не могут производить почти столько же энергии, сколько ядерные, и обычно зависят от погодных условий.

Объяснение и основы ядерного реактора

Ядерный реактор является сердцем любой атомной электростанции. Однако за пределами основного реактора атомная электростанция вырабатывает электроэнергию удивительно похожим образом на угольную электростанцию. В конечном счете, энергия, выделяющаяся в результате ядерных реакций внутри реактора, просто используется для нагрева и кипячения воды. Затем пар производит механическую работу, вращая турбину для выработки электроэнергии. Затем пар охлаждается внутри конденсатора для повторного использования в реакторе. Атомные электростанции являются примером теплового двигателя.

Существует два способа нагрева воды с использованием ядерных реакций. Первый - это ядерное деление, при котором родительское ядро расщепляется на два дочерних ядра. Масса двух дочерних ядер всегда меньше родительского ядра, эта недостающая масса выделяется в виде энергии.

Второй возможный метод нагрева - это ядерный синтез, при котором два легких атомных ядра соединяются вместе и объединяются в одно ядро. Аналогично делению, полученное в результате реакции синтеза ядро имеет меньшую массу, чем два исходных ядра. Оставшаяся масса выделяется в виде энергии.

Чтобы точно выяснить, сколько энергии выделяется в обеих этих ядерных реакциях, мы должны обратиться к самому известному уравнению во всей физике. Уравнение Эйнштейна! Это помогает нам понять, как масса может быть преобразована в энергию.

E=mc?

где энергия E, масса m и скорость c света.

Чтобы рассчитать энергию, выделяющуюся в результате реакции ядерного деления, вы должны определить разницу в массе между родительским ядром и дочерними ядрами. (Периодическая таблица может помочь вам в этом). Уравнение Эйнштейна показывает, что затем вы можете умножить эту разницу в массе на скорость света в квадрате, чтобы получить массу, которая была преобразована в энергию в ходе реакции.

Примеры ядерных реакторов

По состоянию на март 2022 года в настоящее время в Великобритании эксплуатируется 11 ядерных реакторов в 5 разных местах. Ядерная энергетика обеспечила более 16% потребностей страны в энергии в 2020 году, и этот процент растет из-за недавно введенных стимулов и субсидий со стороны правительства. Список действующих атомных электростанций в Великобритании включает в себя Хинкли Пойнт Б, Хартлпул, Хейшем 1, Хейшем 2, Торнесс и Сайзвелл Б.

Ядерный реактор деления

В реакции ядерного деления родительское ядро расщепляется с образованием двух дочерних ядер. Разница в массе до и после реакции преобразуется непосредственно в энергию. Наиболее распространенным типом ядерного топлива, используемого в реакторах деления, является уран-235. К сожалению, энергия, выделяемая при расщеплении только одного атома урана-235, составляет всего. Это незначительно по сравнению с нашими современными потребностями в энергии, поскольку средний дом в Великобритании требует околоджоулей энергии в год. К счастью, всего в одном килограмме урана содержится непостижимо большое количество атомов урана-235. Итак, как мы разделяем более одного атомного ядра одновременно? Ответ - ядерные цепные реакции.

Внутри ядерного реактора деления, когда нейтрон поглощается изотопом урана-235, он на короткое время превращается в Уран-236. U-236 чрезвычайно нестабилен и быстро распадается на два дочерних ядра, цезий-140 и рубидий-92, выделяя энергию. Однако два дочерних ядра не являются единственными продуктами ядерного деления. Также испускается два или три нейтрона. Если источник уранового топлива достаточно плотный, то эти нейтроны могут затем поглощаться другими изотопами U-235, вызывая расщепление большего количества ядер в дальнейших реакциях ядерного деления, выделяя больше энергии!

На приведенной выше диаграмме вы можете видеть, что при делении приведенного выше примера ядра образуется 3 новых нейтрона, которые, в свою очередь, поглощаются еще 3 атомными ядрами. Эти ядра тоже будут расщепляться, испуская в общей сложности 9 новых нейтронов! Итак, если каждый случай деления производит 3 новых нейтрона, то количество реакций деления будет утрояться в каждом новом поколении (при условии, что все испускаемые нейтроны действительно сталкиваются с атомным ядром).

Поколение/Количество реакций деления
1-й 1
2-й 3
3-й 9
4-й 27
5-й 81
10-й 19,683
50-й 2.4 x 1023

Из приведенной выше таблицы видно, как ядерная цепная реакция может быстро выйти из-под контроля, выделяя огромное количество энергии за очень короткое время. На самом деле так работает ядерное оружие. Неконтролируемая ядерная цепная реакция, приводящая к катастрофическому взрыву. Очевидно, что для удовлетворения наших потребностей в энергии нам нужно было бы иметь возможность регулировать эту реакцию, чтобы контролировать количество выделяемой энергии.

Схема ядерного реактора

Чтобы понять, как управлять цепной ядерной реакцией для использования в наших силовых установках, мы должны изучить конструкцию ядерного реактора деления. Реактор деления имеет механизмы, разработанные для замедления цепной реакции, чтобы мы могли извлечь точное количество желаемой энергии. Это особенно полезно, поскольку энергетические потребности например Великобритании в национальной энергосистеме меняются в зависимости от множества различных факторов, включая время суток, погоду, сезон и так далее.

Фото наверху - Схема ядерного реактора, нажмите его для большего размера

Ядерный реактор деления содержит много важных частей. Источник ядерного топлива (уран, плутоний, торий и т.д.) Содержится в топливных стержнях, которые заключены в графитовый замедлитель. Графит между топливными стержнями замедляет любые испускаемые нейтроны, что повышает вероятность их поглощения ядерным топливом в другом стержне, что приведет к более высокой скорости ядерного деления.

Основным механизмом, который контролирует скорость цепной ядерной реакции внутри реактора деления, являются управляющие стержни. Обычно они изготавливаются из таких элементов, как серебро или бор, которые могут легко поглощать нейтроны, не расщепляясь. Следовательно, ядерной цепной реакцией можно управлять, опуская или поднимая эти управляющие стержни. Вы можете замедлить скорость реакции, опустив управляющие стержни глубже в активную зону. С другой стороны, вы можете увеличить скорость реакции, постоянно удаляя управляющие стержни. С помощью нескольких управляющих стержней легко поддерживать контроль процесса деления в режиме реального времени.

Радиационная защита (обычно из бетона) используется для защиты внешней среды от радиоактивных и вредных дочерних продуктов реакций деления. Энергия, вырабатываемая при делении ядер в реакторе, используется для нагрева воды, поэтому пар может выполнять полезную работу, вращая паровую турбину, которая в конечном итоге используется для выработки электроэнергии.

Ядерный термоядерный реактор

В реакции ядерного синтеза два атомных ядра соединяются вместе и объединяются в одно ядро. Разница в массе до и после реакции синтеза преобразуется непосредственно в энергию.Ядерный синтез питает наше Солнце, где каждую секунду происходит почти бесчисленное количество реакций ядерного деления. Затем разница в массе излучается в виде энергии.

Ядерный синтез может создавать огромное количество энергии, в несколько раз превышающее деление. Топливо, используемое при термоядерном синтезе, чрезвычайно распространено и дешево, в отличие от более тяжелых радиоактивных элементов, используемых при делении. Кроме того, ни один из продуктов термоядерного синтеза сам по себе не является радиоактивным, поэтому ядерная термоядерная электростанция будет экологически чистым и возобновляемым источником энергии. Наконец, ядерный термоядерный реактор был бы неспособен к ядерному расплавлению даже из-за человеческой ошибки, поэтому они были бы намного безопаснее.

Тогда очевидно, что с помощью ядерного синтеза можно извлечь много энергии. Вас может шокировать, что в настоящее время в мире нет реакторов ядерного синтеза, которые могли бы помочь нам вырабатывать электроэнергию! Для слияния необходимо преодолеть силу отталкивания между двумя положительно заряженными атомными ядрами. Два ядра должны находиться достаточно близко, чтобы ядерное взаимодействие было достаточно сильным, чтобы вызвать ядерный синтез. Для этого необходима среда с чрезвычайно высокой температурой и давлением, подобная той, что находится внутри звезды.

К сожалению, для поддержания количества энергии, необходимого для искусственного создания этой среды, требуется больше энергии, чем мы получаем от самого синтеза. За последние несколько десятилетий ученые и инженеры добились устойчивого прогресса в решении этой проблемы, но в настоящее время ядерные термоядерные реакторы существуют только в качестве экспериментальной технологии.

Ядерные реакторы - основные выводы

В ядрах атомов содержится огромное количество энергии, которую мы можем использовать для выработки электроэнергии.
Ядерные электростанции производят меньше отходов, чем ископаемое топливо, а радиоактивные отходы в конечном итоге распадаются на безвредные вещества. Кроме того, они могут генерировать гораздо больше электроэнергии, чем возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ветровая или приливная энергия.
Энергия, выделяющаяся во время ядерной реакции, используется для нагрева воды, как и на других типах электростанций. Нагретая вода превращается в пар, который использует механическую работу для вращения турбины. В конечном итоге турбина вырабатывает электроэнергию. Затем пар может быть охлажден в конденсаторе для повторного использования в реакторе.
При делении ядра одно более тяжелое атомное ядро расщепляется на два дочерних ядра. Общая масса дочерних ядер всегда меньше родительского ядра. Разница в массе преобразуется в энергию.
При ядерном синтезе два легких атомных ядра вынуждены объединяться в одно ядро. Масса результирующего ядра всегда меньше, чем у исходных двух ядер. Разница в массе преобразуется в энергию.
Ядерные цепные реакции используются для расщепления более одного атома одновременно. Неконтролируемые цепные реакции используются в оружии, а контролируемые цепные реакции используются на атомных электростанциях.
Ядерные реакторы деления состоят из многих важных частей. Топливные стержни, управляющие стержни, графитовый замедлитель и радиационная защита.
Ядерный синтез может производить в несколько раз больше энергии, чем ядерное деление. Топливо в изобилии и дешево, а в процессе не образуются радиоактивные отходы. Термоядерные электростанции также безопаснее, чем ядерные электростанции.
Ядерный синтез требует высокой температуры и давления, чтобы преодолеть силу отталкивания между двумя положительными ядрами.