Номер 4, страница 215 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 58. Использование энергии деления ядер. Ядерная энергетика. Глава 7. Физика атомного ядра - номер 4, страница 215.

4. Как происходит преобразование ядерной энергии в электрическую на АЭС? Перечислите и объясните назначение основных элементов принципиальной схемы АЭС (см. рис. 156).

Решение

Преобразование ядерной энергии в электрическую на атомной электростанции (АЭС) представляет собой последовательную цепь превращений различных видов энергии. Процесс начинается с управляемой цепной ядерной реакции и заканчивается генерацией электрического тока.

Ниже перечислены основные элементы принципиальной схемы АЭС и объяснено их назначение (на примере наиболее распространенного типа реактора — водо-водяного энергетического реактора, ВВЭР).

Ядерный реактор

Это центральная часть АЭС, где происходит контролируемая цепная реакция деления тяжелых ядер (например, урана-235). В ходе этой реакции выделяется огромное количество энергии в виде тепла. Активная зона реактора содержит ядерное топливо (ТВЭЛы — тепловыделяющие элементы) и систему управления (регулирующие и аварийные стержни, поглощающие нейтроны), которая позволяет поддерживать реакцию на заданном уровне мощности и безопасно останавливать ее.

Назначение: преобразование внутренней энергии атомных ядер в тепловую энергию.

Первый контур (радиоактивный)

Представляет собой замкнутую систему трубопроводов, по которой циркулирует теплоноситель (в реакторах ВВЭР — вода под очень высоким давлением, чтобы избежать кипения). Теплоноситель, проходя через активную зону реактора, нагревается и затем поступает в парогенератор. Этот контур полностью изолирован от остальной части станции для обеспечения радиационной безопасности.

Назначение: отвод тепла от ядерного реактора и его передача воде второго контура.

Парогенератор

Это крупный теплообменник, разделяющий первый (радиоактивный) и второй (чистый) контуры. Горячий теплоноситель из первого контура проходит по множеству трубок внутри парогенератора, отдавая тепло воде второго контура. В результате вода второго контура закипает, превращаясь в пар высокого давления.

Назначение: производство водяного пара для турбины, используя тепло от первого контура.

Паровая турбина

Пар, произведенный в парогенераторе, под высоким давлением направляется на лопатки турбины. Расширяясь, пар заставляет ротор турбины вращаться с высокой скоростью. При этом внутренняя энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения.

Назначение: преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию вращения вала.

Электрогенератор

Вал турбины соединен с валом (ротором) электрогенератора. Вращение ротора генератора в магнитном поле его неподвижной части (статора) вызывает явление электромагнитной индукции, в результате чего в обмотках статора вырабатывается электрический ток.

Назначение: преобразование механической энергии вращения в электрическую энергию.

Конденсатор

После прохождения через турбину пар теряет свою энергию, его давление и температура снижаются. Он поступает в конденсатор, где охлаждается водой из третьего, оборотного контура (например, из градирни или водоема). При охлаждении пар конденсируется, то есть снова превращается в воду, которая затем насосом подается обратно в парогенератор для нового цикла.

Назначение: конденсация отработанного пара в воду и поддержание низкого давления на выходе турбины для повышения ее КПД.

Таким образом, общая цепь преобразования энергии на АЭС следующая:

Ядерная энергия $\rightarrow$ Тепловая энергия теплоносителя $\rightarrow$ Внутренняя энергия пара $\rightarrow$ Механическая энергия вращения турбины $\rightarrow$ Электрическая энергия.

Ответ:

Преобразование ядерной энергии в электрическую на АЭС происходит следующим образом: в ядерном реакторе в результате управляемой цепной реакции деления ядер выделяется тепловая энергия. Эта энергия передается теплоносителю первого контура, который в парогенераторе нагревает воду второго контура, превращая ее в пар. Пар под высоким давлением вращает паровую турбину, которая, в свою очередь, приводит в движение электрогенератор, вырабатывающий электрический ток. Основные элементы схемы: ядерный реактор (источник тепла), парогенератор (создает пар), паровая турбина (преобразует энергию пара в механическое вращение), электрогенератор (преобразует механическую энергию в электрическую) и конденсатор (возвращает отработанный пар в жидкое состояние).