Атомная энергия

При делении ядер выделяется много тепловой энергии, что позволяет вырабатывать электроэнергию с помощью паровой турбины. Ядерное топливо обычно представляет собой делящийся нуклид, такой как уран-235, который производит в среднем более одного нейтрона за одно деление. Быстрые нейтроны, высвобождаемые при делении, должны замедляться замедлителями нейтронов, поскольку тепловые нейтроны наиболее эффективно запускают цепные реакции в делящемся топливе.

Вода является хорошим замедлителем, потому что ядра водорода и нейтроны имеют сравнимые размеры, поэтому нейтроны теряют значительную кинетическую энергию при столкновении. Тяжелая вода еще лучше, так как у дейтерия уже есть нейтрон и вряд ли он примет другой. Замедлители также функционируют как отражатель нейтронов для равномерного распределения нейтронов в активной зоне.

Поскольку самопроизвольное деление урана-235 или 238 непредсказуемо, в реакторе установлен источник нейтронов, чтобы обеспечить контролируемое инициирование цепной реакции. Состояние цепной реакции описывается коэффициентом размножения нейтронов, k:отношением количества нейтронов, образовавшихся при делении в одном поколении, к числу нейтронов, образовавшихся при делении в предыдущем поколении. Когда k меньше 1, реактор является докритическим и выход энергии уменьшается.

Когда k равно 1, реактор находится в критическом состоянии, а выработка энергии стабильна. Когда k больше 1, реактор находится в сверхкритическом состоянии, и выход энергии увеличивается. Цепная реакция контролируется управляющими стержнями, сделанными из материалов, поглощающих нейтроны, таких как бор или кадмий.

Полностью вставленные регулирующие стержни поглощают большое количество нейтронов, поддерживая подкритичность реактора. Извлечение управляющих стержней позволяет происходить все большему числу делений. Теплоноситель, например вода, отводит тепло от активной зоны реактора, чтобы произвести пар для турбины.

Когда реактор нагревается, нейтроны движутся быстрее и с меньшей вероятностью вызывают деление, что помогает избежать перегрева. Активная зона защищена такими материалами, как вода и толстые слои бетона. Как общая конструкция активной зоны, так и конструкция защитной оболочки зависят от конкретного типа реактора.