Многие слышали о ядерных реакторах. А как они работают на самом деле? Давайте разберёмся, как в ядерных реакторах происходит настоящее волшебство.
Что такое цепная ядерная реакция
Цепная ядерная реакция — это процесс, похожий на эффект домино, но с атомами. Когда мы ударяем по первой костяшке, она падает и ударяет по следующей. Когда вторая костяшка падает, она ударяет по третьей, и так далее.
Это похоже на процесс ядерной реакции, когда одно ядро атома разделяется на две и более лёгкие части под влиянием нейтронов. Их называют осколками деления. Каждая костяшка — атом ядра. Осколки от первой реакции сталкиваются со вторым атомом, а второй — с третьим, вызывая деление. Процесс продолжается, и «костяшки домино» передают энергию друг другу, вызывая цепную реакцию.
Осколками могут быть разные элементарные частицы — протоны, нейтроны и прочие — и ядра других элементов. Точный набор зависит от материала.
Когда делится уран-235, который используется в ядерных реакторах, образуются барий, криптон и несколько нейтронов.
Это взаимодействие приводит к непрерывному делению или синтезу ядер. Когда атом разделяется на две и более части, это называется ядерным делением. Синтез — иной процесс, когда легкие атомы сливаются в один более тяжёлый при сверхвысокой температуре. В обоих случаях освобождается энергия в виде тепла и света. Выделенные в процессе деления тепло и свет используются используют в ядерных реакторах для производства электричества.
Синтез обычно происходит в звёздах: Солнце и другие небесные тела питаются светом и теплом, чтобы поддержать свою жизнь. Для этого земляне создали термоядерные реакторы. В этих установках происходит синтез атомов при высокой температуре и давлении. Идея термоядерных реакторов простая — это перспективный источник энергии. Пока цели не достигли — термоядерные реакторы потребляют больше энергии, чем производят. Крупнейший проект в этой области — Международный экспериментальный термоядерный реактор, или ИТЭР, расположенный во Франции.
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 графитовые стержни замедляют нейтроны
В ядерных реакциях нейтроны высвобождаются с высокой скоростью. Причина — в сильной связи протонов и нейтронов внутри ядра. При ядерной реакции значительная часть этой связанной энергии освобождается, и атомы движутся с огромной скоростью. В результате другие атомы не успевают захватить их и не могут продолжить цепную реакцию. Поэтому новые реакции случаются редко и с недостаточным уровнем энергии или тепла.
При этом нейтроны с высокой скоростью в процессе деления высвобождают энергию. Это приводит к большим колебаниям температуры и нарушает стабильность условий внутри реактора. Это ставит производство электричества под вопрос. Наука научилась контролировать скорость нейтронов с помощью графитовых стержней. Эти элементы используют в ядерных реакторах, чтобы управлять ядерными реакциями. Их изготавливают из графита, формы углерода, и называют замедлителями.
Как водитель автомобиля регулирует скорость, чтобы избежать аварии, так и графитовые стержни управляют скоростью ядерной реакции. Они замедляют быстрые нейтроны.
Процесс начинается с прямого взаимодействия. Нейтроны из первичной атомной реакции сталкиваются с ядрами углерода в графите. Поскольку ядра углерода массивные, при столкновении нейтроны передают часть своей энергии атомам углерода. В результате этих многократных столкновений нейтроны постепенно замедляются. Из-за понижения энергии и снижения скорости атомы успевают поймать нейтроны, что продолжает цепную ядерную реакцию.
На российских АЭС стержни над реактором подвешивают и удерживают электромагнитами, чтобы всегда гарантировать их попадание в активную зону. Электромагниты — эффективный способ управлять графитовыми стержнями. Например, подачей электрического тока в электромагниты можно изменять магнитное поле и регулировать подвешивание и удержание стержней с высокой точностью. При нештатных ситуациях на энергоблоке электромагниты выключатся, а стержни сами опустятся в активную зону под действием силы тяжести. Людям не нужно участвовать в этом процессе.
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.
Заключение
Человек понял, цепная ядерная реакция — полезная вещь, и приспособил её для своего блага. Например, в атомной промышленности благодаря цепной ядерной реакции производят электричество, стерилизуют медицинские изделия и создают изображения органов и тканей внутри человеческого тела с помощью компьютерной томографии.
