Използване на ядрената енергия
41. Използване на ядрената енергия
Радиоактивността доказва, че в атомните ядра е скрита огромна енергия. Как се използва ядрената енергия за мирни цели?
Делене на ядрата на урана
Отделянето на ядрена енергия от природните радиоактивни ядра се извършва твърде бавно, за да може те да се използват като източници на енергия за промишлеността. Много по-бързо се освобождава енергия при деленето на ядрата на изотопа уран-235 под действие на неутрони. След като погълне един неутрон, ядрото на урана става нестабилно и се разцепва на две приблизително еднакви части – продукти на деленето (фиг. 1). Отделят се също два или три допълнителни неутрона.
Неутроните, получени при деленето на дадено ядро уран-235, може да предизвикат делене на нови ядра. Те също отделят неутрони, които се поглъщат от други ядра, и процесът на делене придобива лавинообразен характер – протича т.нар. верижна реакция (фиг. 2).
Деленето на всяко ядро е съпроводено с превръщане на ядрена енергия в топлина: продуктите на деленето и неутроните получават голяма енергия на движението, която след това в резултат на ударите с околните атоми и молекули преминава в енергия на тяхното хаотично топлинно движение. Например при пълно делене на всички ядра, съдържащи се в 1 g уран-235, ще се отделят 80 млрд. джаула енергия. За сравнение: същата енергия се отделя при изгаряне на 3000 kg въглища!
Ядрен реактор и ядрена електроцентрала
Верижната реакция на делене за кратко време обхваща много голям брой ядра и води до ядрен взрив, при който се отделя огромна енергия. Такава верижна реакция се осъществява при взривяване на атомна бомба. За да се използва ядрената енергия за мирни цели, трябва да се контролира скоростта на реакцията. Устройствата, в които се осъществяват управляеми реакции на делене на ядрата, се наричат ядрени реактори. В активната зона на реактора се поставят касетите с ядрено гориво (фиг. 3). В тях се вкарват специални регулиращи пръчки, които поглъщат част от неутроните и по този начин контролират скоростта на реакцията. Реакторът се охлажда от течаща под високо налягане вода, която поглъща полученото при деленето на ядрата количество топлина и го извежда извън реактора.
В парогенератора топлината се използва за изпаряване на вода (фиг. 4). Получените водни пари с високо налягане завъртат турбините на ядрената (атомна) електроцентрала и свързаните с тях електрически генератори.
В българската атомна (ядрена) електроцентрала (АЕЦ) в Козлодуй работят два ядрени реактора. Всеки от тях има електрична мощност 1000 MW.
Безопасност
Деленето на урана е съпроводено с мощно радиоактивно лъчение. Освен това голяма част от продуктите на делене също са радиоактивни. Затова е много важно да се осигури надеждна защита около активната зона на реактора.
В реакторите на АЕЦ „Козлодуй“ (фиг. 5) са изградени три последователни защитни бариери (фиг. 3 и 4):
● метална обвивка на касетите с ураново гориво;
● стоманен корпус на реактора;
● външна защитна обвивка на съоръженията около реактора.
Реакторите на АЕЦ „Козлодуй“ отговарят на европейските изисквания за безопасност. В ядрената електроцентрала работи автоматична система за контрол на радиоактивните лъчения. Извършват се измервания както вътре в централата, така и в 110-километровата зона около нея. Вземат се проби за анализ на въздуха, водите, растителността, млякото и други.
Проверете какво сте научили
Уранът е 92-рият химичен елемент в периодичната система. Природният уран е съставен от два изотопа: уран-238 (99,3% от всичкия уран) и уран-235 (0,7%). Опишете състава на атомните ядра на двата изотопа. По какво се различават те? Кой от двата изотопа на урана се използва в ядрените реактори?
Решете задачата самостоятелно. Може да направите проверка, като кликнете върху картата.
В атомното ядро на уран-238 има 92 протона и 146 неутрона.
В атомното ядро на уран-235 има 92 протона и 143 неутрона.
Двете ядра се различават по броя на неутроните.
В ядрените реактори се използва уран-235.
Ядро уран-235 поглъща неутрон и след това се разцепва на две части. Едната част е ядро криптон-92. Определете масовото число А2 и поредният номер Z2 на другата част.
Указание. При реакцията на делене на урана се запазва общият брой на протоните и общият брой на неутроните – преди и след деленето.
Решете задачата самостоятелно. Може да направите проверка, като кликнете върху картата.
Преди деленето броят на протоните е Z, а след деленето е Z1 + Z2. От равенството Z = Z1 + Z2 определяме: Z2 = Z – Z1 = 92 – 36 = 56. Общият брой на протоните и неутроните преди деленето е А + 1, а след деленето е A1 + A2 + 3. От равенството А + 1 = А1 + А2 + 3 определяме: А2 = А + 1 – A1 – 3 = 235 + 1 – 92 – 3 = 141.
Използвайте данните от схемата, за да определите масовото число A₂ на второто ядро, получено при деленето на ядрото на урана.
Решете задачата самостоятелно. Може да направите проверка, като кликнете върху картата.
А₂ = (235 +1) − (144 + 2) = 90.
Използвайте данните от схемата, за да определите масовото число A₂ на второто ядро, получено при деленето на ядрото на урана.
Решете задачата самостоятелно. Може да направите проверка, като кликнете върху картата.
А2 = (235 + 1) – (140 + 3) = 93.
Опишете по схемата основните части на ядрена електроцентрала.
Решете задачата самостоятелно. Може да направите проверка, като кликнете върху картата.
Ядрената електроцентрала има два контура на движение на водата. Какво е тяхното предназначение?
Решете задачата самостоятелно. Може да направите проверка, като кликнете върху картата.