Атомная электростанция
Атомная электростанция работает в условиях контролируемой и управляемой цепной реакции деления урана-235, идущей в ядерном реакторе. В отличие от атомной бомбы, в которой делящимся веществом является металлический уран-235 или плутоний-239, в ядерном реакторе используется оксид урана UO2, содержащий изотопы: уран-238 (~ 97%) и уран-235 (~ 3%).
Делящимся веществом является уран-235. Каждый акт деления сопровождается выделением энергии. Температура повышается в результате увеличения скорости разлетающихся продуктов (осколков деления). Масса образовавшихся продуктов деления лишь немного меньше массы исходного делящегося урана-235. Уменьшение массы сопровождается выделением эквивалентного исчезнувшей массе количества энергии в форме теплоты и электромагнитного излучения.
В соответствии с законом сохранения массы-энергии:
Е = mc2,
можно оценить количество энергии, которое выделяется в ядерной реакции деления. Уменьшение массы вещества на 1 г эквивалентно выделению энергии в количестве:
Е = mc2 = 1×10-3 кг (3×108)2 м2с-2 = 9×1013 Дж.
Для сравнения такое же количество энергии в форме теплоты выделится при сжигании 3000 т каменного угля, содержащего 93 мас.% углерода:
С(т) + О2(г) ® СО2; △Н = -393.5 кДж/моль.
или 3000 т.
Отступление. Чтобы иметь представление о современной атомной электростанции, рассмотрим некоторые особенности ее устройства (рис. 59).
|
Рис. 59. Схема реактора атомной электростанции
Стальной реактор высотой 21 м и шириной 9 м с толщиной стенок 20 см закрыт бетонной защитной оболочкой, исключающей выход потока нейтронов и g-излучения в окружающую среду. Внутри реактора располагаются тепловыделяющие элементы и стержни управления и защиты. Реактор заполнен водой – замедлителем быстрых нейтронов (медленные нейтроны вызывают деление урана-235). Вода выполняет также функцию теплоносителя.
Тепловыделяющие элементы (твэлы) длиной 3.7 м представляют собой герметично закрытые трубки диаметром 10 мм из сплава циркония, заполненные таблетками (размером с наперсток) оксида урана UO2. Всего в реактор помещают массу ядерного топлива, содержащуюся в 40 000 – 50 000 стержней. В такой массе осуществляется самоподдерживающаяся цепная реакция деления.
Контрольные стержни из самария Sm, европия Eu или гадолиния Gd (f-элементы) предназначены для поддержания стационарной работы ядерного реактора. Они захватывают медленные нейтроны и не позволяют развиваться неконтролируемому цепному делению урана-235 и перегреву ядерного реактора. В случае аварийной ситуации или при остановке реактора для замены отработанных твэлов контрольные стержни погружают в пространство между твэлами для полного поглощения нейтронов.
При эксплуатации атомных электростанций существуют проблемы, связанные с авариями. Такие аварии произошли в США (1979 г.) и в СССР (крупнейшая авария на Чернобыльской АЭС, 1986 г.). Существуют серьезные проблемы с переработкой и хранением радиоактивных отходов, большинство из которых (после выделения из отходов урана и плутония) имеют период полураспада не превышающий 30 лет.
Период полураспада t1/2 – время, необходимое для превращения половины любого заданного количества вещества. Скорость распада радиоактивного вещества подчиняется уравнению реакции первого порядка. Например, радиоактивный распад каждого ядра тория-232 сопровождается испусканием a-частицы:
Th-232 ® Ra-228 + a-частица
Специальное устройство (счетчик Гейгера) позволяет регистрировать a-частицы и измерять скорость радиоактивного распада:
или 
.
.
При интегрировании получаем: 
,
где N0 – исходное число ядер тория-232 в момент времени t = 0;
N – число ядер, не распавшихся по истечении времени t; k – константа радиоактивного распада
Так как t = t1/2, если N =N0/2, то между константой скорости радиоактивного распада и периодом полураспада существует следующее соотношение:
или t1/2 = 0.693/k .
Период полураспада тория-232 можно определить, не дожидаясь, когда распадется половина ядер радионуклида. Например, если счетчик Гейгера регистрирует 57 a-частиц, испускаемых в минуту образцом, содержащим 10-6 моль соединения тория-232, то
u = kN0
57 = k 10-6×6.02×1023, где 6.02×1023 – число Авогадро
k = 9.468 10-17 мин-1
t1/2 = 0.693/9.468 10-17 мин или 1.4×1010 лет.
Практика эксплуатации ядерных реакторов показала, что атомная электростанция мощностью 1000 МВт потребляет в год 175 т урана. Такой же мощности тепловая электростанция сжигает 2 млн т угля.
Краткий итог темы
1. В земной коре встречаются все химические элементы (за исключением искусственно синтезированных), но основными являются 8 элементов. На долю O, Si, Al, Fe, Ca, K, Na, Mg приходится почти 99 мас.% земной коры.
2. Структура кристалла металла рассматривается как гигантская молекула с подвижным электронным облаком, удерживающим положительно заряженные ионы металла в узлах кристаллической решетки (металлическая связь).
3. Металлы проявляют высокую электропроводность и теплопроводность, обусловленную подвижными электронами.
4. Среди химических свойств металлов основным является способность отдавать валентные электроны в окислительно-восстановительных реакциях и переходить в ионное состояние в оксидах, основаниях и солях.
5. Железо среди металлов является основным конструкционным материалом.
6. Алюминий, медь – основные электропроводящие материалы, а металлы платиновой группы самые коррозионностойкие материалы.
7. Атомная энергетика основана на двух металлах из группы f-элементов: уране U и плутонии Pu. Уран и плутоний служат источником энергии, выделяющейся в результате деления ядер элементов в реакторах атомных электростанций или в атомных бомбах.
Термины для запоминания