Звучить страшно і небезпечно, але при вмілому поводженні приносить багато користі. Як улаштований ядерний реактор і чому його не варто боятися — у нашій статті.
Принцип роботи ядерного реактора
Принцип дії реактора можна описати в парі речень:
Уран-235 розпадається, внаслідок чого виділяється велика кількість теплової енергії. Ця енергія кип’ятить воду, а пара крутить турбіну під тиском. Турбіна, у свою чергу, обертає електрогенератор, який виробляє електрику.
Все, розходимося … Гаразд, давайте розберемося докладніше.
Уран-235 – це один із ізотопів урану. Ізотоп – це різновид атома будь-якої речовини, який відрізняється від звичайного атома атомною масою. Саме уран-235 відрізняється від простого урану тим, що в ядрі такого ізотопу на три нейтрони менше.
Через нестачу нейтронів ядро стає менш стабільним і розпадається на дві частини, якщо розігнати та врізати в нього нейтрон. За цієї реакції вилітає ще парочка нейтронів. Ці нейтрони можуть потрапити в інше ядро урану-235 і розщепити його, після чого звідти вилетить ще нейтрон, і так далі ланцюжком. Такий процес називається ланцюговою ядерною реакцією.
Поділ урану
Поділ ядер урану під впливом нейтронів відкрили німецькі вчені Отто Ган та Фріц Штрассман у 1938 році. Для експерименту вибрали саме нейтрони тому, що вони електрично нейтральні, тобто вони не мають заряду. А якщо немає заряду, то між протонами та нейтронами немає кулонівського відштовхування, і нейтрони легко проникають у ядро.
Коли нейтрон попадає в ядро урану-235, воно деформується і стає витягнутим. Ядерні сили діють на дуже маленьких відстанях, але не працюють великих. А ось електростатична взаємодія може відбуватися і на більших відстанях. Тому ядерна взаємодія не може протидіяти електростатичному відштовхуванню протилежних частин витягнутого ядра, і останнє розривається на частини. При цьому випромінюється та сама пара нейтронів, про які ми вже згадували вище, а близькі по масі уламки розлітаються з великою швидкістю.
Результати поділу ядра урану-235:
- Розпад на барій та криптон з виділенням трьох нейтронів:
- Розпад на ксенон та стронцій з виділенням двох нейтронів:
Керована ядерна реакція
Природна ядерна реакція відбувається дуже швидко — менше, ніж за секунду. Така швидка ядерна реакція провокує ядерний вибух.
Гарна новина полягає в тому, що ядерною реакцією можна керувати. Завдання просте – стеж за реакцією, контролюй і не давай урану розпадатися занадто швидко. Легко сказати!
Для виконання цього завдання вигадали уповільнювач. Уповільнювач – не пристрій, а речовина, яка зменшує кінетичну енергію нейтронів за рахунок багаторазового зіткнення з молекулами сповільнювача. Як уповільнювач часто використовують графітові стрижні і воду — звичайну (H2O) або важку (D2O).
Виявляється… На землі був природний ядерний реактор. Він був у урановому родовищі Окло. Це у Габоні, у Центральній Африці. У природному ядерному реакторі процес розпаду урану відбувається без участі людини. Але є один нюанс: цей реактор охолов понад мільярд років тому.
Технічна реалізація
Якщо ви хоч раз дивилися «Сімпсонів» (або у вашому місті є реактор), то знаєте, як виглядають великі труби, що стоять на території атомної електростанції (АЕС). Ці труби називаються градирні і служать для швидкого охолодження пари.
У момент розпаду ядро урану розколюється на дві частини. Ці частини розлітаються в різні боки з величезною швидкістю, але, незважаючи на швидкість, далеко не відлітають. Вони вдаряються об атоми, що знаходяться поруч, і кінетична енергія перетворюється на теплову. Кількість теплоти від цих зіткнень нагріває воду, перетворюючи її на пару. Пар крутить турбіну, а турбіна крутить генератор, який виробляє електрику.
От і виходить, що ми живемо в стімпанці – все працює на пару.
АЕС
Якщо коротко, атомна електростанція— це споруда, яка виробляє електрику за рахунок ядерного реактора.
А якщо докладніше, то АЕС — це великий комплекс, на чолі якого стоїть ядерний реактор. Крім реактора на АЕС є турбіна, генератор, трансформатори перетворення напруги. Загалом, це велика система.
У побутовому вживанні АЕС часто прирівнюють до ядерного реактора, і це не можна назвати неправильним. Просто ядерний реактор – бос у цій движусі, тому він і визначає все інше.
До речі, коли гратимете в крокодила, загадайте атомну електростанцію. Буде смішно, перевірено.
Чорнобильська АЕС
Коли мова заходить про ядерну енергетику, багато хто мимоволі згадує катастрофу на Чорнобильській АЕС і тому помилково вважають, що ядерний реактор — зло.
Але за великим рахунком реактор – це дуже дорогий чайник. Дим, який валить із труб АЕС і лякає перехожих, насправді не дим, а пара.
Внаслідок роботи ядерного реактора справді утворюються радіоактивні відходи, і вони можуть бути небезпечними, якщо з ними неправильно поводитися. Частину цих відходів переробляють для подальшого використання, а частину доводиться тримати у сховищах, щоб вони не завдали шкоди людині та навколишньому середовищу.
Шок-контент
Ядерна енергія – найекологічніший вид енергії на сьогоднішній день.
Атомні електростанції викидають в атмосферу лише пар, їм потрібна невелика кількість палива, а ще вони займають малу площу і при правильному використанні безпечні. Проте після аварії на Чорнобильській АЕС багато країн призупинили розвиток атомної енергетики.
Перша аварія на Чорнобильській АЕС сталася 1982 року. Під час пробного пуску зруйнувався один із технологічних каналів реактора, було деформовано графітову кладку активної зони. Постраждалих не було, але наслідки було ліквідовано близько трьох місяців.
У 1986 році сталося НС у відомому всьому світі четвертому енергоблоці. У цьому енергоблоці проводилися випробування турбогенератора. Система аварійного охолодження була планово відключена, тому коли реактор не змогли зупинити, ця система не врятувала АЕС від вибуху і пожежі.
Вибух та його наслідки не говорять про те, що ядерна енергетика шкідлива. Насправді, навіть банани радіоактивні, тому що в них містяться радіоактивні ізотопи. Але навіть з’ївши близько сотні бананів масою 150 г, ви отримаєте лише нормальну добову дозу радіації. Щоб бананова радіація нашкодила людині, їх доведеться з’їсти не менше, ніж тонну. Те саме і з ядерними реакціями — вони завдають шкоди лише в тому випадку, якщо їх не контролювати.
Види сучасних реакторів
Сьогодні існує кілька видів ядерних реакторів, але використовують переважно два — гомогенні та гетерогенні:
- у гомогенних реакторах ядерне пальне та сповільнювач перемішані;
- в гетерогенних реакторах ядерне пальне та сповільнювач знаходяться окремо один від одного.
Ще бувають реактори, в яких для одержання енергії використовують уран-238, а не уран-235. Але в таких реакторах складно відводити тепло, тому вони досить рідкісні.
Використання атомної енергії
Атомна енергія використовується не тільки в ядерних реакторах. Наприклад, існують кораблі та підводні човни, які працюють на атомній енергії.
На початку XXI століття через високі ціни на нафту були дуже актуальні пошуки способів використання ядерної енергії. Тоді з’явилися розробки компактних атомних електростанцій, які можуть працювати десятиліттями без обслуговування і до того ж безпечні.
Крім того, вчені працюють над ядерними методами для діагностики та лікування онкологічних захворювань. Існують дослідження, які підтверджують, що радіоактивні ізотопи можуть знищувати ракові клітини.
