Из истории развития физики, страница 245 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 9. Физика атома и атомного ядра. Параграф 49. Ядерный реактор. Вопросы - страница 245.

Условие.

Из истории развития физики

Ниже приведён фрагмент из книги советского физика Дмитрия Ивановича Блохинцева (1908–1979) «Рождение мирного атома», руководившего сооружением первой в мире атомной электростанции в г. Обнинске (Калужская область).

«В нашем случае тепло снималось с реактора P (рис. 235) водой под давлением 100 атм*. Это давление препятствует вскипанию воды в реакторе. Температура воды на входе в реактор составила 190 °C, а на выходе – 270 °C. Горячая вода поступала в теплообменник-парогенератор ПГ и возвращалась обратно в реактор – это так называемый первый контур. Вода в этом контуре радиоактивна. В теплообменнике горячая вода (теплоноситель) отдала своё тепло воде второго контура, которая превращалась в пар с давлением 12 атм и с температурой 260 °C. Этот пар и приводил в движение турбину ТГ. Мощность турбины составляла 5 000 кВт. Тепловая мощность реактора равнялась 30 000 кВт».

а) Каким образом энергия связи ядер урана преобразуется в электрическую энергию?

б) Чему равен КПД первой АЭС?

Рис. 235

Решение.

а) Каким образом энергия связи ядер урана преобразуется в электрическую энергию?
Преобразование энергии связи ядер урана в электрическую энергию на атомной электростанции происходит в несколько этапов, которые можно проследить по представленной схеме:
1. Ядерная реакция и выделение тепловой энергии. В активной зоне ядерного реактора (Р) происходит управляемая цепная реакция деления тяжёлых ядер урана. В процессе деления часть энергии связи ядра высвобождается в виде огромной кинетической энергии осколков деления и нейтронов. Эти частицы сталкиваются с другими атомами в реакторе, замедляются, и их кинетическая энергия переходит в тепловую, разогревая тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) и всю активную зону.
2. Передача тепла теплоносителю первого контура. Тепло из активной зоны отводится теплоносителем первого контура – в данном случае водой под высоким давлением (10 МПа). Циркуляционный насос (ЦН) прокачивает воду через реактор, где она нагревается (с 190 °C до 270 °C), но не вскипает из-за высокого давления. Эта вода становится радиоактивной.
3. Производство пара во втором контуре. Нагретая вода из первого контура поступает в теплообменник, называемый парогенератором (ПГ). В нём она отдаёт своё тепло воде второго, нерадиоактивного контура. Вода второго контура закипает, превращаясь в пар с высоким давлением (1,2 МПа) и температурой (260 °C). Таким образом, тепловая энергия преобразуется во внутреннюю энергию пара.
4. Преобразование тепловой энергии в механическую. Горячий пар из парогенератора под давлением подаётся на лопатки турбины (ТГ). Расширяясь, пар совершает механическую работу, приводя турбину во вращение. Внутренняя энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины.
5. Преобразование механической энергии в электрическую. Турбина соединена валом с электрогенератором. Вращаясь, генератор преобразует механическую энергию в электрическую, вырабатывая электрический ток.
6. Конденсация пара. Отработавший в турбине пар, отдавший часть своей энергии, поступает в конденсатор (К), где охлаждается и снова превращается в воду. Эта вода затем насосом подаётся обратно в парогенератор, замыкая цикл второго контура.
Ответ: Цепочка преобразования энергии выглядит следующим образом: энергия связи ядер урана → кинетическая энергия продуктов деления → тепловая энергия воды первого контура → внутренняя энергия пара второго контура → механическая энергия вращения турбины и генератора → электрическая энергия.

б) Чему равен КПД первой АЭС?
Дано:

Полезная электрическая мощность турбины $P_{полезная} = 5\ 000$ кВт.
Тепловая мощность реактора $P_{тепловая} = 30\ 000$ кВт.
В системе СИ:
$P_{полезная} = 5 \times 10^6$ Вт.
$P_{тепловая} = 30 \times 10^6$ Вт.
Найти:

Коэффициент полезного действия (КПД) $\eta$.
Решение

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины, которой является АЭС, определяется как отношение полезной совершённой работы (в данном случае, выработанной электрической мощности) к количеству теплоты, полученному от нагревателя (тепловой мощности реактора).
Формула для расчёта КПД в терминах мощности:
$\eta = \frac{P_{полезная}}{P_{тепловая}} \times 100\%$
Подставим данные из условия задачи в формулу:
$\eta = \frac{5\ 000\ \text{кВт}}{30\ 000\ \text{кВт}} \times 100\% = \frac{5}{30} \times 100\% = \frac{1}{6} \times 100\%$
$\eta \approx 16,67\%$
Округляя до трёх значащих цифр, получаем $\eta \approx 16,7\%$.
Ответ: КПД первой АЭС равен приблизительно $16,7\%$.