Что нужно знать
Деление ядер урана — это процесс, при котором тяжёлое ядро урана (например, уран-235), поглотив нейтрон, распадается на два более лёгких ядра, несколько нейтронов и выделяет большое количество энергии. При делении одного ядра урана-235 выделяется примерно 200 МэВ энергии, что соответствует приблизительно 3,2 · 10⁻¹¹ Дж. Освободившиеся нейтроны могут вызывать деление других ядер, поэтому возникает цепная ядерная реакция. Для поддержания управляемой цепной реакции используется ядерный реактор. В нём замедлитель уменьшает скорость нейтронов, управляющие стержни поглощают лишние нейтроны, а теплоноситель отводит выделяющуюся теплоту. Энергия деления используется для нагревания воды, получения пара и вращения турбины электрогенератора, например на атомной электростанции. Энергия, выделяемая при делении ядер, определяется формулой E = N · E₁, где E — полная энергия (Дж), N — число актов деления, E₁ — энергия одного акта деления (Дж). Мощность реактора рассчитывается по формуле P = E / t, где P — мощность (Вт), E — выделившаяся энергия (Дж), t — время (с). Типичная ошибка учеников — считать, что управляющие стержни замедляют нейтроны: на самом деле они поглощают их, а замедлитель уменьшает скорость движения нейтронов.
Тест: 12 вопросов
Выберите ответ в каждом вопросе и нажмите «Проверить ответы» — появятся правильные ответы и пояснения.
1. Что называют делением ядра урана?
- Процесс изменения числа электронов в атоме урана
- Процесс распада тяжёлого ядра на два более лёгких ядра с выделением энергии и нейтронов
- Процесс соединения двух лёгких ядер в одно тяжёлое ядро
- Процесс испускания ядром урана только электромагнитного излучения
При делении тяжёлое ядро урана после поглощения нейтрона распадается на более лёгкие ядра, выделяя энергию и несколько нейтронов.
2. Какую приблизительную энергию выделяет деление одного ядра урана-235?
- 2 МэВ
- 200 эВ
- 200 МэВ
- 200 ГэВ
При делении одного ядра урана-235 выделяется примерно 200 МэВ энергии. Это значительно больше энергии, выделяемой при обычных химических реакциях.
3. Как называется процесс, при котором нейтроны, образовавшиеся при делении ядер, вызывают деление других ядер?
- Термоядерный синтез
- Радиоактивное смещение
- Электролиз
- Цепная ядерная реакция
При делении ядер образуются новые нейтроны, которые могут вызвать деление других ядер. Благодаря этому реакция способна поддерживать сама себя.
4. Какова энергия, выделяемая при делении одного ядра урана, если она составляет 200 МэВ? Примите 1 МэВ = 1,6 · 10⁻¹³ Дж.
- 3,2 · 10⁻¹¹ Дж
- 3,2 · 10⁻¹³ Дж
- 3,2 · 10⁻¹⁰ Дж
- 3,2 · 10⁻⁹ Дж
Переведём энергию в джоули: E = 200 · 1,6 · 10⁻¹³ = 3,2 · 10⁻¹¹ Дж.
5. Какую энергию выделит вещество при 10²⁰ актах деления ядер урана, если энергия одного акта равна 3,2 · 10⁻¹¹ Дж?
- 3,2 · 10¹¹ Дж
- 3,2 · 10⁹ Дж
- 3,2 · 10⁻⁹ Дж
- 3,2 · 10⁻¹ Дж
Используем формулу E = N · E₁. E = 10²⁰ · 3,2 · 10⁻¹¹ = 3,2 · 10⁹ Дж.
6. В каком устройстве осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления урана?
- В обычном электрическом генераторе
- В электрическом трансформаторе
- В ядерном реакторе
- В конденсаторе
Ядерный реактор предназначен для осуществления и поддержания управляемой цепной реакции деления ядер с выделением энергии.
7. Какую функцию выполняют управляющие стержни в ядерном реакторе?
- Вырабатывают электрический ток непосредственно из ядерного топлива
- Увеличивают скорость нейтронов
- Ускоряют движение электронов в атомах урана
- Поглощают нейтроны и регулируют интенсивность цепной реакции
Управляющие стержни изготовляют из веществ, хорошо поглощающих нейтроны. При их введении глубже в активную зону реакция замедляется, а при извлечении усиливается.
8. Для чего в ядерном реакторе используют замедлитель нейтронов?
- Для уменьшения скорости нейтронов
- Для увеличения скорости нейтронов
- Для полного поглощения всех нейтронов
- Для непосредственного превращения нейтронов в электрический ток
Замедлитель уменьшает кинетическую энергию нейтронов. В реакторах с ураном-235 медленные нейтроны эффективно вызывают деление ядер.
9. Какую роль выполняет теплоноситель в ядерном реакторе?
- Увеличивает массу ядерного топлива
- Отводит теплоту от активной зоны реактора
- Поглощает все нейтроны, необходимые для реакции
- Полностью прекращает деление ядер
Теплоноситель переносит тепловую энергию от активной зоны к системе теплообмена. На атомных электростанциях эта энергия используется для получения пара и выработки электричества.
10. В ядерном реакторе за 100 секунд выделилась энергия 3,2 · 10⁹ Дж. Какова средняя мощность реактора за это время?
- 320 МВт
- 3,2 МВт
- 32 МВт
- 32 кВт
Используем формулу P = E / t. P = 3,2 · 10⁹ / 100 = 3,2 · 10⁷ Вт = 32 МВт.
11. Сколько актов деления ядер необходимо для выделения энергии 3,2 · 10⁻³ Дж, если при одном акте выделяется 3,2 · 10⁻¹¹ Дж?
Используем формулу N = E / E₁. N = 3,2 · 10⁻³ / 3,2 · 10⁻¹¹ = 10⁸ актов деления.
12. Как используется энергия ядерного деления на атомной электростанции?
- Для нагревания теплоносителя, получения пара и вращения турбины генератора
- Для охлаждения турбины за счёт поглощения электрической энергии
- Для непосредственного превращения ядер урана в электрический ток без промежуточных процессов
- Для увеличения скорости движения электронов в проводниках без нагревания
Энергия деления ядер превращается во внутреннюю энергию теплоносителя. Полученный пар вращает турбину, соединённую с электрическим генератором.