Адкрыццё ланцуговых рэакцый стварыла магчымасць атрымаць энергію ад пераўтварэнняў, якія адбываюцца ў атамных ядрах. Для таго, каб выкарыстоўваць яго ў кантраляваным выглядзе, былі пабудаваны ядзерныя рэактары, якія ў многіх краінах зараз з'яўляюцца асновай энергіі. У гэтым раздзеле вы даведаецеся, як кантраляваць ланцуговыя рэакцыі і як працуюць ядзерныя рэактары.
Ланцуговыя рэакцыі - крыніца велізарнай колькасці энергіі. Праблема заключаецца ў тым, што калі мы хочам імі карыстацца, мы павінны навучыцца кіраваць імі. Адным з вынікаў любой рэакцыі дзялення з'яўляецца разрыў нейтронаў. Ядзернае паліва на большасці АЭС узбагачаецца уранам. Падчас кожнага акту дзялення гэтага элемента выкідваюцца тры нейтрона, якія могуць выклікаць далейшыя рэакцыі. Некаторыя нейтроны проста пакідаюць вобласць, дзе быў размешчаны расшчапляецца матэрыял, а некаторыя паглынаюцца ўстойлівымі ядрамі ізатопа 238U. Каб рэакцыя не спантанна знікала, па меншай меры адзін з трох атрыманых нейтронаў павінен быць захоплены няўстойлівым ядром ізатопа 235U.
На ход рэакцыі таксама ўплывае маса расшчапляецца матэрыялу (без належнай масы рэакцыя не адбудзецца наогул), крытычная маса і памер гэтага рэчыва - крытычны памер. Занадта малыя памеры і няправільна падабраная форма з'яўляюцца прычынай вылучэння нейтронаў і самаадвольнага тушэння рэакцыі.
Ланцуговая рэакцыя развіваецца з пэўнай хуткасцю. Мы падлічваем час такой рэакцыі ад моманту ядзернага дзялення да моманту, калі нейтрон захоплівае іншае няўстойлівае ядро. Калі гэты час рэзка скараціцца ў параўнанні з папярэднім этапам, то рэакцыя працякае занадта хутка і ўзнікае рызыка выбуху (так працуе атамная бомба). Гэты працэс адбываецца, калі нейтроны дасягаюць высокіх хуткасцей (так званыя хуткія нейтроны). Для кантролю за ходам ядзерных рэакцый былі пабудаваны ядзерныя рэактары. Важнейшым элементам такога прылады з'яўляецца ядро, у якім знаходзяцца паліўныя элементы і мадэратар.
Ядзернае паліва змяшчаецца ў рэактар не як адзін зарад, а як асобныя паліўныя элементы (часта стрыжні). Дзякуючы гэтаму ў ядро можа быць уведзены мадэратар, выраблены з рэчывы, якое запавольвае хуткасць нейтронаў (цяжкая вада, графіт, аксід берылію) і тым самым павялічвае верагоднасць захопу нейтронаў ядрамі расшчапляецца матэрыялу. Таксама лягчэй выдаляць выпрацоўваемы цяпло і кантраляваць колькасць паліва ў ядры.
Ход ланцуговай рэакцыі кантралюецца кантрольнымі стрыжнямі, якія можна ўставіць у рэактар на рознай глыбіні альбо цалкам выдаліць з яго. Кіраўнікі стрыжняў выраблены з матэрыялаў, якія характарызуюцца высокай здольнасцю захопу нейтронаў (кадмій, бор), так што колькасць гэтых часціц у ядры можна паменшыць або павялічыць. Так званы Засцерагальнікі - іх задача спыніць рэакцыю. Калі рэакцыя выходзіць з-пад кантролю, яны трапляюць у стрыжань - тады праца рэактара спыняецца. Змена патоку нейтронаў дазваляе рэгуляваць магутнасць ядра.
Рэактар вылучае велізарную колькасць цяпла падчас працы. Для адводу энергіі з ядра выкарыстоўваецца сярод іншых вадкі натрый, які не паглынае нейтроны і, такім чынам, не ўплывае на працу рэактара. Рэактарнымі цепланосбітамі могуць быць не толькі вадкасці, але і газы з добрымі цеплавымі ўласцівасцямі (цеплаправоднасць, высокая тэмпература кіпення, высокая ўдзельная тэмпература). Цепланосбіт паступае ў цеплаабменнік, дзе ён перадае цяпло вадзе. І ён - ужо ў выглядзе пары пад высокім ціскам - рухае турбінамі, якія рухаюцца па ротарах генератараў (генератараў). Іх паваротны рух пераўтвараецца ў электрычнасць (падобна на двайны прывад).
Рэактары выкарыстоўваюцца для:
- выпрацоўка электраэнергіі;
- вытворчасць ядзернага паліва для ваенных мэтаў;
- вытворчасць радыеактыўных ізатопаў (напрыклад, для выкарыстання ў медыцыне);
- навуковыя эксперыменты па фізіцы, біялогіі і г.д.
Атамныя электрастанцыі працуюць аналагічна звычайным цеплавым электрастанцыям - у абодвух выпадках паравод-вада з'яўляецца працоўным контурам. ККД АЭС вагаецца ў межах 30-40%30-40%, гэта значыць крыху ніжэй, чым эфектыўнасць звычайнай электрастанцыі. Аднак атамная электрастанцыя вырабляе значна больш электраэнергіі - адзінка энергаблока атамнай электрастанцыі здольная вырабляць ад 900 да 1400 МВт чыстай энергіі. Адзіны мінус АЭС - гэта вытворчасць радыеактыўных адходаў.
Адпрацаванае паліва замяняецца ў сярэднім раз у тры гады і павінна захоўвацца ў спецыяльна адведзеных для гэтага месцах. Радыёактыўныя адходы часцей за ўсё з'яўляюцца вынікам працы самой электрастанцыі - такія адходы, напрыклад, радыеактыўны ўран 235 Е., які не выкарыстоўваецца ў поўнай меры ў паліўных элементах або плутонію, які выпрацоўваецца ў рэактары. Радыёактыўныя адходы таксама могуць быць вынікам дзейнасці, звязанай з здабычай урановай руды (радыеактыўныя кучы, зваленыя каля шахты).