Ядерный реактор — что это и как работает: физика 9–11 класс

Ядерный реактор — устройство, в котором происходит управляемая цепная ядерная реакция. Внутри него делятся тяжёлые атомные ядра, и при этом выделяется энергия — та самая, которую потом превращают в электричество на атомных станциях. Ключевое слово здесь «управляемая»: реакцию можно замедлить, остановить или снова разогнать, и именно этим реактор принципиально отличается от ядерного взрыва.

Что происходит при делении ядра

В основе работы реактора лежит деление тяжёлых ядер — например, ядер урана. Когда такое ядро захватывает нейтрон, оно становится неустойчивым и распадается на два более лёгких осколка. При этом освобождается несколько новых нейтронов и выделяется энергия. Часть этой энергии превращается в тепло — за счёт него в конечном счёте нагревается вода, получается пар, и он крутит турбину, вырабатывающую электричество.

Освободившиеся нейтроны летят дальше и попадают в соседние ядра, вызывая их деление. Так один акт деления запускает следующий, потом ещё один — получается цепная реакция. Если её никак не контролировать, число делений будет расти лавинообразно за доли секунды. Именно так происходит взрыв. Задача реактора — не дать этому случиться и держать число делений на постоянном, нужном уровне.

Об этом же: Виды ядерных взрывов - классификация, поражающие факторы и последствия и Реактивное движение - определение в физике, история открытия, суть, формула.

Чем реактор отличается от ядерного взрыва

Физика процесса в реакторе и в оружии одна и та же — деление ядер с выделением энергии. Разница в том, что реакция происходит и управляется по-разному. В реакторе количество нейтронов, вызывающих новые деления, специально сдерживают, чтобы реакция шла с постоянной скоростью, а не разгонялась. Для этого часть лишних нейтронов поглощают специальными материалами. При взрыве, наоборот, реакция специально доводится до неконтролируемого, лавинообразного роста за считаные мгновения.

Как устроен реактор в общих чертах

Топливо с делящимися ядрами находится в активной зоне реактора. Чтобы реакция не разгонялась сама по себе, в конструкции есть материалы, замедляющие нейтроны, и подвижные стержни, которые поглощают часть нейтронов. Стержни можно опускать глубже в активную зону или, наоборот, приподнимать — этим и регулируют скорость реакции. Если стержни полностью погрузить, реакция затухает; если чуть приподнять — снова набирает силу до нужного уровня.

Тепло, выделяющееся при делении ядер, забирает теплоноситель — вещество, которое циркулирует через активную зону и уносит энергию дальше, к системе, где она превращается в пар для турбины. Сама турбина уже ничем не отличается от турбины на обычной тепловой станции — разница только в источнике тепла.

Почему реактор служит источником энергии на атомных станциях

Главное практическое применение реактора — атомная станция. Реактор здесь заменяет топку, в которой на обычной ТЭС сжигают уголь или газ: только вместо горения используется деление ядер. Выделение энергии продолжается, пока в активной зоне остаётся запас топлива и сохраняются условия для цепной реакции — то есть пока нейтроны продолжают попадать в новые ядра в нужном темпе. Когда топливо вырабатывается или реакцию специально останавливают стержнями, выделение энергии прекращается.

Плюс такого источника энергии — из небольшого количества топлива получают много тепла, гораздо больше, чем при сжигании такой же массы угля или газа. Минус — сложность и высокая ответственность обслуживания: реакцию нужно постоянно держать под контролем, а с топливом и его остатками после работы нужно уметь безопасно обращаться.

Вопросы про ядерный реактор

Чем цепная реакция в реакторе отличается от цепной реакции при взрыве?

Физически это одна и та же цепная реакция деления ядер. Разница в том, что в реакторе её специально сдерживают, поглощая часть нейтронов, поэтому число делений в единицу времени остаётся постоянным. При взрыве реакцию, напротив, доводят до неконтролируемого роста, и всё выделение энергии происходит почти мгновенно.

Что произойдёт, если в реакторе перестать сдерживать реакцию?

Число делений начнёт нарастать без контроля, и энергия будет выделяться всё быстрее — это ровно то состояние, которое реактор обязан не допускать. Для этого в конструкции есть стержни, которыми скорость реакции держат на постоянном уровне, а при необходимости реакцию можно быстро остановить, полностью погрузив стержни в активную зону.

Почему реактор не взрывается, как атомная бомба?

Потому что условия для лавинообразного, неконтролируемого роста реакции в реакторе специально не создаются — наоборот, реакцию всё время удерживают на одном уровне. В оружии, в отличие от реактора, реакцию, наоборот, специально доводят до неуправляемого разгона за доли секунды. Это разные задачи, поэтому и конструкция, и режим работы принципиально разные.

Чаще всего путают сам процесс деления ядер с процессом взрыва — а разница именно в управлении реакцией, а не в физике деления. Если запомнить, что реактор всё время держит число делений под контролем стержнями, а взрыв — это когда контроль специально убирают, вопрос про разницу между реактором и бомбой больше не вызовет затруднений.

Читайте также

• Ядерное оружие - история создания, поражающие факторы, страны, имеющие ядерное оружие
• Виды ядерных взрывов - классификация, поражающие факторы и последствия
• Реактивное движение - определение в физике, история открытия, суть, формула
• Ядерный взрыв: причины и суть процесса