Institutt for innovasjonsledelse
i disiplinen: "Concepts of moderne naturvitenskap"
Presentasjon om emnet: Nukleær
energi: dens essens og
bruk i teknologi og
teknologier
Presentasjonsplan
IntroduksjonKjernekraft.
Historien om oppdagelsen av kjernekraft
Atomreaktor: skapelseshistorie, struktur,
grunnleggende prinsipper, klassifisering av reaktorer
Områder for bruk av kjernekraft
Konklusjon
Kilder brukt
Introduksjon
Energi er den viktigste sektoren i den nasjonale økonomien,som dekker energiressurser, generering, transformasjon,
overføring og bruk av ulike typer energi. Dette er grunnlaget
statsøkonomi.
Verden gjennomgår en prosess med industrialisering, som krever
merforbruk av materialer, noe som øker energikostnadene.
Med befolkningsvekst øker energiforbruket til jorddyrking,
høsting, gjødselproduksjon m.m.
For tiden er mange naturressurser lett tilgjengelige
planetene går tom. Det tar lang tid å utvinne råvarer
dypt eller på havhyllene. Begrensede verdensreserver
olje og gass, ser det ut til at menneskeheten står overfor utsiktene
energi krise.
Imidlertid gir bruk av atomenergi menneskeheten
muligheten til å unngå dette, siden resultatene av grunnleggende
forskning på atomkjernens fysikk gjør det mulig å avverge trusselen
energikrise ved å bruke energien som frigjøres
i noen reaksjoner av atomkjerner
Kjernekraft
Kjerneenergi (atomenergi) er energiinneholdt i atomkjerner og frigjort
under kjernefysiske reaksjoner. Atomkraftverk,
de som genererer denne energien produserer 13–14 %
verdensproduksjon av elektrisk energi. .
Historien om oppdagelsen av kjernekraft
1895 V.K. Roentgen oppdager ioniserende stråling (røntgenstråler)1896 A. Becquerel oppdager fenomenene radioaktivitet.
1898 M. Sklodowska og P. Curie oppdager radioaktive grunnstoffer
Po (Polonium) og Ra (Radium).
1913 N. Bohr utvikler teorien om strukturen til atomer og molekyler.
1932 J. Chadwick oppdager nøytroner.
1939 O. Hahn og F. Strassmann studerer fisjon av U-kjerner under påvirkning av
langsomme nøytroner.
Desember 1942 - Første selvopprettholdende
kontrollert kjedereaksjon av kjernefysisk fisjon ved SR-1-reaktoren (Gruppe
fysikere ved University of Chicago, ledet av E. Fermi).
25. desember 1946 - Den første sovjetiske reaktoren F-1 ble satt i drift
kritisk tilstand (en gruppe fysikere og ingeniører ledet av
I.V. Kurchatova)
1949 - Den første Pu-produksjonsreaktoren ble satt i drift
27. juni 1954 – Verdens første atomkraftverk ble satt i drift
kraftverk med en elektrisk kapasitet på 5 MW i Obninsk.
På begynnelsen av 90-tallet var mer enn 430 atomkraftverk i drift i 27 land rundt om i verden.
kraftreaktorer med en samlet kapasitet på ca. 340 GW.
Historien om opprettelsen av en atomreaktor
Enrico Fermi (1901-1954)Kurchatov I.V. (1903-1960)
1942 i USA, under ledelse av E. Fermi, den første
kjernereaktor.
1946 Den første sovjetiske reaktoren ble skutt opp under ledelse
Akademiker I.V. Kurchatov.
NPP-reaktordesign (forenklet)
Essensielle elementer:Aktiv sone med kjernebrensel og
retarder;
Nøytronreflektor rundt
aktiv sone;
Kjølevæske;
Kjedereaksjonskontrollsystem,
inkludert nødbeskyttelse
Strålevern
Fjernkontrollsystem
Hovedkarakteristikkene til reaktoren er
dens kraftutgang.
Effekt på 1 MW - 3·1016 divisjoner
på 1 sek.
Skjematisk struktur av et kjernekraftverk
Tverrsnitt av en heterogen reaktor
Strukturen til en atomreaktor
Nøytron multiplikasjonsfaktor
Karakteriserer den raske veksten av antalletnøytroner og er lik forholdet mellom tallet
nøytroner i én generasjon
kjedereaksjon til antallet som fødte dem
nøytroner fra forrige generasjon.
k=Si/Si-1
k<1 – Реакция затухает
k=1 – Reaksjonen fortsetter stasjonært
k=1,006 – Kontrollerbarhetsgrense
reaksjoner
k>1.01 – Eksplosjon (for en reaktor kl
termiske nøytroner frigjør energi
vil vokse 20 000 ganger per sekund).
Typisk kjedereaksjon for uran;
10. Reaktoren styres ved hjelp av staver som inneholder kadmium eller bor.
Følgende typer stenger skilles ut (i henhold til formålet med applikasjonen):Kompensasjonsstenger – kompenser for det innledende overskuddet
reaktivitet, utvides når drivstoff brenner ut; opptil 100
tingene
Kontrollstenger - for å opprettholde kritiske
oppgir når som helst, for stopp, start
reaktor; noen
Merk: Følgende typer stenger skiller seg ut (i henhold til formålet
applikasjoner):
Kontroll- og kompensasjonsstenger er valgfrie
representerer ulike strukturelle elementer
registrering
Nødstenger - tilbakestilt av tyngdekraften
til den sentrale delen av kjernen; noen. Kan være
I tillegg er noen av kontrollstengene også tilbakestilt.
11. Klassifisering av atomreaktorer etter nøytronspektrum
Termisk nøytronreaktor ("termisk reaktor")En rask nøytronmoderator (vann, grafitt, beryllium) er nødvendig for å nå termisk
energier (brøkdeler av eV).
Små nøytrontap i moderator og strukturelle materialer =>
naturlig og lett anriket uran kan brukes som drivstoff.
Kraftige kraftreaktorer kan bruke uran med høy
berikelse - opptil 10%.
En stor reaktivitetsreserve er nødvendig.
Rask nøytronreaktor ("rask reaktor")
Urankarbid UC, PuO2, etc. brukes som moderator og moderering
Det er mye færre nøytroner (0,1-0,4 MeV).
Bare høyt anriket uran kan brukes som drivstoff. Men
samtidig er drivstoffeffektiviteten 1,5 ganger høyere.
En nøytronreflektor (238U, 232Th) er nødvendig. De går tilbake til den aktive sonen
raske nøytroner med energier over 0,1 MeV. Nøytroner fanget av kjerner 238U, 232Th,
brukes på å skaffe spaltbare kjerner 239Pu og 233U.
Valget av byggematerialer er ikke begrenset av absorpsjonstverrsnittet, Reserve
mye mindre reaktivitet.
Mellomliggende nøytronreaktor
Raske nøytroner bremses ned til en energi på 1-1000 eV før absorpsjon.
Høy belastning av kjernebrensel sammenlignet med termiske reaktorer
nøytroner
Det er umulig å utføre utvidet reproduksjon av kjernebrensel, som i
rask nøytronreaktor.
12. Ved drivstoffplassering
Homogene reaktorer - drivstoff og moderator representerer en homogenblanding
Kjernebrensel er plassert i reaktorkjernen i form
homogen blanding: løsninger av uransalter; suspensjon av uranoksider i
lett og tungt vann; solid moderator impregnert med uran;
smeltede salter. Alternativer for homogene reaktorer med
gassformig brensel (gassformige uranforbindelser) eller suspensjon
uranstøv i gass.
Varmen som genereres i kjernen fjernes av kjølevæsken (vann,
gass, etc.) beveger seg gjennom rør gjennom kjernen; eller en blanding
drivstoff med en moderator selv fungerer som kjølevæske,
sirkulerer gjennom varmevekslere.
Ikke mye brukt (Høy korrosjon av strukturell
materialer i flytende brensel, kompleksiteten i reaktordesign
faste blandinger, mer belastning av svakt anriket uran
drivstoff osv.)
Heterogene reaktorer - brensel plasseres i kjernen diskret i
i form av blokker som det er en moderator mellom
Hovedtrekket er tilstedeværelsen av drivstoffelementer
(TVEL). Drivstoffstenger kan ha forskjellige former (stenger, plater
osv.), men det er alltid en klar grense mellom drivstoff,
moderator, kjølevæske osv.
De aller fleste reaktorer som er i bruk i dag er det
heterogen, noe som skyldes deres designfordeler mht
sammenlignet med homogene reaktorer.
13. Etter brukens art
NavnHensikt
Makt
Eksperimentell
reaktorer
Studie av ulike fysiske mengder,
hvis verdier er nødvendige for
design og drift av atomkraft
reaktorer.
~103W
Forskning
reaktorer
Strømmer av nøytroner og γ-kvanter skapt i
aktiv sone, brukes til
forskning innen kjernefysikk,
faststofffysikk, strålingskjemi,
biologi, for testing av materialer,
designet for å jobbe under intensive forhold
nøytronflukser (inkludert kjernefysiske deler
reaktorer) for produksjon av isotoper.
<107Вт
Skille seg ut
Jeg er energiaktig
vanligvis ikke
brukt
Isotopreaktorer
For å produsere isotoper som brukes i
atomvåpen, for eksempel 239Pu og in
industri.
~103W
Energi
reaktorer
For å få elektrisk og termisk
energi brukt i energisektoren, med
avsalting av vann, for kraftdrift
skipsinstallasjoner etc.
Opptil 3-5 109W
14. Montering av en heterogen reaktor
I en heterogen reaktor er kjernebrensel fordelt i det aktivesone diskret i form av blokker, mellom hvilke det er
nøytronmoderator
15. Tungtvanns atomreaktor
FordelerMindre absorberende tverrsnitt
Nøytroner => Forbedret
nøytronbalanse =>
Bruk som
naturlig uranbrensel
Mulighet for å lage
industrielt tungtvann
reaktorer for produksjon
tritium og plutonium, samt
bredt spekter av isotop
produkter, inkludert
medisinske formål.
Feil
Høye kostnader for deuterium
16. Naturlig atomreaktor
I naturen, under forhold somkunstig reaktor, kan
skape naturområder
kjernereaktor.
Den eneste kjente naturlige
atomreaktor eksisterte 2 milliarder
år siden i Oklo-regionen (Gabon).
Opprinnelse: en veldig rik åre av uranmalm mottar vann fra
overflate, som spiller rollen som en nøytronmoderator. Tilfeldig
forfall starter en kjedereaksjon. Når den er aktiv, koker vannet bort,
reaksjonen svekkes - selvregulering.
Reaksjonen varte i ~100 000 år. Nå er ikke dette mulig pga
uranreserver utarmet ved naturlig forfall.
Det gjennomføres feltundersøkelser for å studere migrasjon
isotoper – viktig for utviklingen av underjordiske deponeringsteknikker
radioaktivt avfall.
17. Bruksområder for kjernekraft
AtomkraftverkPlan for drift av et kjernekraftverk på en dobbeltkrets
trykkvannskraftreaktor (VVER)
18.
I tillegg til atomkraftverk brukes atomreaktorer:på atomisbrytere
på atomubåter;
under operasjonen av atomraketter
motorer (spesielt på AMS).
19. Kjernekraft i verdensrommet
romsondeCassini, skapt av
prosjekt til NASA og ESA,
lansert 15.10.1997 for
serie studier
objekter av Solar
systemer.
Elektrisitetsproduksjon
utført av tre
radioisotop
termoelektrisk
generatorer: Cassini
bærer 30 kg 238Pu om bord,
som går i oppløsning,
avgir varme
konvertible til
elektrisitet
20. Romskipet "Prometheus 1"
NASA utvikler en atomreaktori stand til å jobbe under forhold
vektløshet.
Målet er å levere strøm til verdensrommet
skip "Prometheus 1" ifølge prosjektet
søke etter liv på Jupiters måner.
21. Bombe. Prinsippet om ukontrollert kjernefysisk reaksjon.
Det eneste fysiske behovet er å oppnå kritiskemasser for k>1,01. Ingen utvikling av kontrollsystem nødvendig –
billigere enn atomkraftverk.
"pistol"-metoden
To uranblokker med subkritiske masser når de kombineres overskrider
kritisk. Graden av anrikning 235U er ikke mindre enn 80%.
Denne typen "baby" bombe ble sluppet på Hiroshima 06/08/45 8:15
(78-240 tusen drepte, 140 tusen døde innen 6 måneder)
22. Eksplosiv krympemetode
En bombe basert på plutonium, som ved hjelp av komplekssystemer for samtidig detonering av konvensjonelle eksplosiver komprimeres til
superkritisk størrelse.
En bombe av denne typen «Fat Man» ble sluppet på Nagasaki
09/08/45 11:02
(75 tusen drepte og sårede).
23. Konklusjon
Energiproblemet er et av de viktigste problemene somI dag må menneskeheten bestemme. Slike ting har allerede blitt vanlig
prestasjoner av vitenskap og teknologi som et middel for umiddelbar kommunikasjon, raskt
transport, romutforskning. Men alt dette krever
store energiforbruk.
Den kraftige økningen i energiproduksjon og -forbruk har brakt frem en ny
akutt problem med miljøforurensning, som representerer
alvorlig fare for menneskeheten.
Verdens energibehov i de kommende tiårene
vil øke raskt. Ingen energikilde
vil kunne gi dem, så det er nødvendig å utvikle alle kilder
energi og effektiv bruk av energiressurser.
På det nærmeste stadiet av energiutvikling (de første tiårene av det 21. århundre)
Kullenergi og kjernekraft vil fortsatt være det mest lovende
energi med termiske og raske nøytronreaktorer. Du kan imidlertid
håper at menneskeheten ikke vil stoppe på fremskritts vei,
forbundet med energiforbruk i stadig økende mengder.
Energien som finnes i atomkjerner og frigjøres under kjernefysiske reaksjoner og radioaktivt forfall.
Ifølge prognoser vil organisk brensel være nok til å dekke menneskehetens energibehov i 4-5 tiår. I fremtiden kan solenergi bli den viktigste energiressursen. Overgangsperioden krever en energikilde som er praktisk talt uuttømmelig, billig, fornybar og ikke forurenser miljøet. Og selv om kjernekraft ikke fullt ut oppfyller alle kravene ovenfor, utvikler den seg i et raskt tempo og vårt håp om å løse den globale energikrisen er forbundet med det.
Frigjøring av den indre energien til atomkjerner er mulig ved fisjon av tunge kjerner eller fusjon av lette kjerner.
Kjennetegn ved atomet. Et atom av et hvilket som helst kjemisk element består av en kjerne og elektroner som roterer rundt den. Kjernen i et atom består av nøytroner og protoner. Det vanlige navnet på proton og nøytron er nukleon. Nøytroner har ingen elektrisk ladning, protoner er positivt ladet, elektroner - negativ. Ladningen til et proton er lik i absolutt verdi som ladningen til et elektron.
Antall protoner i Z-kjernen faller sammen med atomnummeret i det periodiske systemet til Mendeleev. Antall nøytroner i en kjerne, med få unntak, er større enn eller lik antall protoner.
Massen til et atom er konsentrert i kjernen og bestemmes av massen av nukleoner. Massen til ett proton er lik massen til ett nøytron. Massen til et elektron er 1/1836 av massen til et proton.
Dimensjonen til atommasse brukes atommasseenhet(a.u.m), lik 1,66·10 -27 kg. 1 amu omtrent lik massen til ett proton. Karakteristikken til et atom er massetallet A, lik det totale antallet protoner og nøytroner.
Tilstedeværelsen av nøytroner gjør at to atomer har forskjellige masser med de samme elektriske ladningene på kjernen. De kjemiske egenskapene til disse to atomene vil være de samme; slike atomer kalles isotoper. I litteraturen, til venstre for elementbetegnelsen, er massetallet skrevet øverst, og antall protoner nederst.
Kjernebrenselet som brukes i slike reaktorer er isotop av uran med atommasse 235. Naturlig uran er en blanding av tre isotoper: uran-234 (0,006%), uran-235 (0,711%) og uran-238 (99,283%). Uran-235-isotopen har unike egenskaper - som et resultat av absorpsjon av et lavenerginøytron oppnås en uran-236-kjerne, som deretter spaltes - delt i to omtrent like deler, kalt fisjonsprodukter (fragmenter). Nukleonene til den opprinnelige kjernen er fordelt mellom fisjonsfragmentene, men ikke alle - i gjennomsnitt frigjøres 2-3 nøytroner. Som et resultat av fisjon blir massen til den opprinnelige kjernen ikke fullstendig bevart en del av den omdannes til energi, hovedsakelig til kinetisk energi til fisjonsprodukter og nøytroner. Verdien av denne energien for ett atom av uran 235 er omtrent 200 MeV.
Kjernen i en konvensjonell 1000 MW reaktor inneholder rundt 1 tusen tonn uran, hvorav bare 3 - 4 % er uran-235. Hver dag forbrukes 3 kg av denne isotopen i reaktoren. For å forsyne reaktoren med brensel må det således behandles 430 kg urankonsentrat daglig, og dette er i gjennomsnitt 2150 tonn uranmalm
Som et resultat av fisjonsreaksjonen produseres raske nøytroner i kjernebrensel. Hvis de samhandler med nabokjerner til et spaltbart stoff og igjen forårsaker en fisjonsreaksjon i dem, oppstår det en skredlignende økning i antall fisjonshendelser. Denne fisjonsreaksjonen kalles en kjernefysisk kjedereaksjon.
Nøytroner med energier mindre enn 0,1 keV er mest effektive for utvikling av en fisjonskjedereaksjon. De kalles termisk fordi energien deres er sammenlignbar med den gjennomsnittlige energien til termisk bevegelse av molekyler. Til sammenligning er energien som eies av nøytroner produsert under forfallet av kjerner 5 MeV. De kalles raske nøytroner. For å bruke slike nøytroner i en kjedereaksjon, må energien deres reduseres (bremses). Disse funksjonene utføres av moderatoren. I moderatorstoffer er raske nøytroner spredt på kjerner, og energien deres omdannes til energien til termisk bevegelse av atomene til moderatorstoffet. De mest brukte moderatorene er grafitt og flytende metaller (primærkretskjølevæske).
Den raske utviklingen av en kjedereaksjon er ledsaget av frigjøring av en stor mengde varme og overoppheting av reaktoren. For å opprettholde en steady-state reaktormodus, introduseres kontrollstaver laget av materialer som sterkt absorberer termiske nøytroner, for eksempel bor eller kadmium, i reaktorkjernen.
Den kinetiske energien til nedbrytningsprodukter omdannes til varme. Varme absorberes av kjølevæsken som sirkulerer i atomreaktoren og overføres til varmeveksleren (1. lukket krets), hvor det produseres damp (2. krets), som roterer turbinen til turbogeneratoren. Kjølevæsken i reaktoren er flytende natrium (1. krets) og vann (2. krets).
Uran-235 er en ikke-fornybar ressurs, og hvis den brukes utelukkende i atomreaktorer, vil den forsvinne for alltid. Derfor er det attraktivt å bruke isotopen uran-238, som finnes i mye større mengder, som startdrivstoff. Denne isotopen støtter ikke en kjedereaksjon under påvirkning av nøytroner. Men den kan absorbere raske nøytroner, og dermed danne uran-239. I kjernene til uran-239 begynner beta-forfall og neptunium-239 (finnes ikke i naturen) dannes. Denne isotopen forfaller også og blir til plutonium-239 (finnes ikke i naturen). Plutonium-239 er enda mer utsatt for termiske nøytronfisjonsreaksjoner. Som følge av fisjonsreaksjonen i kjernebrenselet plutonium-239 dannes det raske nøytroner som sammen med uran danner nytt brensel og fisjonsprodukter som frigjør varme i brenselelementer (brenselelementer). Som et resultat kan 20-30 ganger mer energi fås fra et kilo naturlig uran enn i konvensjonelle atomreaktorer som bruker uran-235.
Moderne design bruker flytende natrium som kjølevæske. I dette tilfellet kan reaktoren operere ved høyere temperaturer, og dermed øke den termiske effektiviteten til kraftverket opptil 40 % .
De fysiske egenskapene til plutonium: toksisitet, lav kritisk masse for spontane fisjonsreaksjoner, antennelse i oksygen, sprøhet og selvoppvarming i metallisk tilstand gjør det vanskelig å produsere, bearbeide og håndtere. Derfor er avlerreaktorer fortsatt mindre vanlige enn termiske nøytronreaktorer.
For fredelige formål brukes atomenergi i kjernekraftverk. Andelen kjernekraftverk i global elektrisitetsproduksjon er om lag 14 % .
Som et eksempel, vurder prinsippet om å generere elektrisitet ved Voronezh kjernekraftverk. En flytende metallkjølevæske med en innløpstemperatur på 571 K sendes gjennom kanaler gjennom kanaler under et trykk på 157 ATM (15,7 MPa), som varmes opp i reaktoren til 595 K. Metallkjølevæsken sendes til en dampgenerator, som mottar kaldt vann, som blir til damp med et trykk på 65,3 ATM (6,53 MPa). Damp tilføres bladene til en dampturbin, som roterer en turbogenerator.
I atomreaktorer er temperaturen på dampen som produseres betydelig lavere enn i dampgeneratoren til termiske kraftverk som bruker organisk brensel. Som et resultat er den termiske effektiviteten til kjernekraftverk som opererer med vann som kjølevæske bare 30 %. Til sammenligning, for kraftverk som kjører på kull, olje eller gass når den 40 %.
Atomkraftverk brukes i elektriske og varmeforsyningssystemer for befolkningen, og mini-atomkraftverk på sjøfartøy (atomdrevne skip, atomubåter) for elektrisk driving av propeller).
For militære formål brukes atomenergi i atombomber. Atombomben er en spesiell rask nøytronreaktor , der en rask ukontrollert kjedereaksjon oppstår med høy nøytronmultiplikasjonsfaktor. Atomreaktoren til en atombombe inneholder ikke moderatorer. Som et resultat blir dimensjonene og vekten til enheten små.
Atomladningen til en uran-235-bombe er delt i to deler, i hver av disse er en kjedereaksjon umulig. For å lage en eksplosjon skytes den ene halvdelen av ladningen inn i den andre, og når de kobles sammen oppstår en eksplosiv kjedereaksjon nesten øyeblikkelig. En eksplosiv kjernefysisk reaksjon resulterer i frigjøring av enorm energi. I dette tilfellet oppnås en temperatur på rundt hundre millioner grader. En kolossal trykkøkning oppstår og en kraftig eksplosjonsbølge dannes.
Den første atomreaktoren ble skutt opp ved University of Chicago (USA) 2. desember 1942. Den første atombomben ble eksplodert 16. juli 1945 i New Mexico (Alamogordo). Det var en enhet laget etter prinsippet om plutoniumfisjon. Bomben besto av plutonium omgitt av to lag kjemisk eksplosiv med lunter.
Det første kjernekraftverket som produserte strøm i 1951 var atomkraftverket EBR-1 (USA). I det tidligere Sovjetunionen - Obninsk kjernekraftverk (Kaluga-regionen, ga makt den 27. juni 1954). Det første atomkraftverket i USSR med en rask nøytronreaktor med en kapasitet på 12 MW ble lansert i 1969 i byen Dimitrovgrad. I 1984 var det 317 kjernekraftverk i drift i verden med en total kapasitet på 191 tusen MW, som utgjorde 12% (1012 kWh) av den globale elektrisitetsproduksjonen på den tiden. Verdens største atomkraftverk fra 1981 var Biblis NPP (Tyskland), den termiske kraften til reaktorene var 7800 MW.
Termonukleære reaksjoner kalles kjernereaksjoner av fusjon av lette kjerner til tyngre. Grunnstoffet som brukes i kjernefysisk fusjon er hydrogen. Den største fordelen med termonukleær synetz er de praktisk talt ubegrensede ressursene til råstoff, som kan utvinnes fra sjøvann. Hydrogen i en eller annen form utgjør 90 % av all materie. Drivstoffet for termonukleær fusjon som finnes i verdenshavene vil vare i mer enn 1 milliard år (solstråling og menneskeheten i solsystemet vil ikke vare mye lenger). Råvarene for termonukleær fusjon i 33 km havvann tilsvarer i energiinnhold alle fastbrenselressurser (det er 40 millioner ganger mer vann på jorden). Energien til deuterium i et glass vann tilsvarer å brenne 300 liter bensin.
Det er 3 isotoper av hydrogen : deres atommasser er -1,2 (deuterium), 3 (tritium). Disse isotopene kan reprodusere kjernereaksjoner der den totale massen av de endelige reaksjonsproduktene er mindre enn den totale massen av stoffene som kom inn i reaksjonen. Forskjellen i masse, som i tilfellet med en fisjonsreaksjon, står for den kinetiske energien til reaksjonsproduktene. I gjennomsnitt er reduksjonen i massen til stoffet involvert i den termonukleære fusjonsreaksjonen 1 amu. tilsvarer frigjøring av 931 MeV energi:
H 2 + H 2 = H 3 + nøytron +3,2 MeV,
H 2 + H 2 = H 3 + proton +4,0 MeV,
H 2 + H 3 = He 4 + nøytron +17,6 MeV.
Det er praktisk talt ingen tritium i naturen. Det kan oppnås ved interaksjon av nøytroner med litiumisotoper:
Li 6 + nøytron = He 4 + H 3 + 4,8 MeV.
Fusjon av kjerner av lette elementer skjer ikke naturlig (unntatt prosesser i rommet). For å tvinge kjerner til å gå inn i en fusjonsreaksjon kreves det høye temperaturer (ca. 107 -109 K). I dette tilfellet er gassen et ionisert plasma. Problemet med å begrense dette plasmaet representerer hovedhindringen for bruken av denne metoden for energiproduksjon. Temperaturer på rundt 10 millioner grader er typiske for den sentrale delen av solen. Det er termonukleære reaksjoner som er energikilden som gir stråling fra sola og stjernene.
For tiden pågår teoretisk og eksperimentelt arbeid for å studere metoder for magnetisk og treghetsplasma inneslutning.
Metode for bruk av magnetiske felt. Et magnetisk felt dannes som trenger gjennom kanalen til bevegelig plasma. De ladede partiklene som utgjør plasmaet, blir, mens de beveger seg i et magnetfelt, utsatt for krefter rettet vinkelrett på bevegelsen til partiklene og magnetfeltlinjene. På grunn av virkningen av disse kreftene vil partiklene bevege seg i en spiral langs feltlinjene. Jo sterkere magnetfeltet er, desto tettere blir plasmastrømmen, og isolerer seg derved fra skallets vegger.
Treghetsplasma innesperring. Reaktoren utfører termonukleære eksplosjoner med en frekvens på 20 eksplosjoner per sekund. For å implementere denne ideen varmes en partikkel av termonukleært brensel opp ved hjelp av fokusert stråling fra 10 lasere til antennelsestemperaturen til fusjonsreaksjonen i tiden før den rekker å spre seg over en merkbar avstand på grunn av den termiske bevegelsen til atomer (10-9 s).
Termonukleær fusjon er grunnlaget for hydrogenbomben (termonukleær). I en slik bombe oppstår en selvopprettholdende termonukleær reaksjon av eksplosiv karakter. Sprengstoffet er en blanding av deuterium og tritium. Energien til en kjernefysisk fisjonsbombe brukes som en kilde til aktiveringsenergi (en kilde til høye temperaturer). Verdens første termonukleære bombe ble opprettet i USSR i 1953.
På slutten av 50-tallet begynte Sovjetunionen å jobbe med ideen om termonukleær fusjon i reaktorer av typen TOKAMAK (toroidalt kammer i magnetfeltet til en spole). Driftsprinsippet er som følger: det toroidale kammeret evakueres og fylles med en gassblanding av deuterium og tritium. En strøm på flere millioner ampere føres gjennom blandingen. På 1-2 sekunder stiger temperaturen på blandingen til hundretusener av grader. Plasma dannes i kammeret. Videre oppvarming utføres ved injeksjon av nøytrale deuterium- og tritiumatomer med en energi på 100 - 200 keV. Plasmatemperaturen stiger til titalls millioner grader og en selvopprettholdende fusjonsreaksjon begynner. Etter 10-20 minutter vil tunge elementer fra det delvis fordampende materialet i kammerveggene samle seg i plasmaet. Plasmaet kjøles ned og termonukleær forbrenning stopper. Kammeret må slås av igjen og renses for akkumulerte urenheter. Torusdimensjonene for en termisk reaktoreffekt på 5000 MW er som følger: Ytre radius -10m; indre radius - 2,5 m.
Forskning for å finne en måte å kontrollere termonukleære reaksjoner på, dvs. Bruken av termonukleær energi til fredelige formål utvikler seg med stor intensitet.
I 1991, ved et felles europeisk anlegg i Storbritannia, ble det oppnådd betydelig energifrigjøring for første gang under kontrollert termonukleær fusjon. Den optimale modusen ble opprettholdt i 2 sekunder og ble ledsaget av frigjøring av energi på omtrent 1,7 MW. Maksimal temperatur var 400 millioner grader.
Termonukleær elektrisk generator. Ved bruk av deuterium som fusjonsdrivstoff må to tredjedeler av energien frigjøres i form av kinetisk energi til ladede partikler. Ved hjelp av elektromagnetiske metoder kan denne energien omdannes til elektrisk energi.
Elektrisitet kan oppnås i stasjonære og pulserende driftsmoduser av installasjonen. I det første tilfellet blir ionene og elektronene som er et resultat av en selvopprettholdende fusjonsreaksjon hemmet av et magnetfelt. Ionestrømmen skilles fra elektronstrømmen ved hjelp av et tverrgående magnetfelt. Effektiviteten til et slikt system under direkte bremsing vil være omtrent 50%, og resten av energien vil bli til varme.
Fusjonsmotorer (ikke implementert). Anvendelsesområde: romfartøy. Det fullstendig ioniserte deuteriumplasmaet ved en temperatur på 1 milliard grader Celsius holdes i form av en ledning av det lineære magnetfeltet til spoler til superledere. Arbeidsvæsken mates inn i kammeret gjennom veggene, avkjøler dem og varmes opp ved å strømme rundt plasmaledningen. Den aksiale hastigheten for ioneutstrømning ved utgangen fra den magnetiske dysen er 10 000 km/s.
I 1972, på et møte i Club of Roma - en organisasjon som studerer årsakene og søker etter løsninger på problemer på planetarisk skala - ble det laget en rapport av forskerne E. von Weinzsäcker, A. H. Lovins og produserte effekten av en eksploderende bombe. Ifølge dataene som er gitt i rapporten, vil planetens energikilder – kull, gass, olje og uran – være tilstrekkelig frem til 2030. For å utvinne kull, som du kan få energi verdt 1 dollar fra, må du bruke energi som koster 99 cent.
Uran-235, som tjener som drivstoff for atomkraftverk, er ikke så rikelig i naturen: bare 5% av den totale mengden uran i verden, hvorav 2% er i Russland. Derfor kan atomkraftverk bare brukes til hjelpeformål. Forskningen til forskere som prøvde å få energi fra plasma på TOKAMAKs er fortsatt en kostbar øvelse den dag i dag. I 2000 dukket det opp rapporter om at European Atomic Community (CERN) og Japan bygde det første segmentet av TOKAMAK.
Frelsen er kanskje ikke det "fredelige atomet" til et atomkraftverk, men det "militære" - energien til en termonukleær bombe.
Russiske forskere kalte oppfinnelsen en eksplosiv forbrenningskjele (ECC). Driftsprinsippet til PIC er basert på eksplosjonen av en ultraliten termonukleær bombe i en spesiell sarkofag - en kjele. Eksplosjoner forekommer regelmessig. Det er interessant at i en VBC er trykket på kjelens vegger under en eksplosjon mindre enn i sylindrene til en vanlig bil.
For sikker drift av kjelen må innvendig diameter til kjelen være minst 100 meter. Doble stålvegger og et 30 meter tykt armert betongskall vil dempe vibrasjoner. Kun stål av høy kvalitet vil bli brukt til å konstruere den, som to moderne militære slagskip. Det er planlagt å bygge KVS i 5 år. I 2000, i en av de lukkede byene i Russland, ble det utarbeidet et prosjekt for bygging av en eksperimentell installasjon for en "bombe" på 2-4 kilotonn kjernefysisk ekvivalent. Kostnaden for denne FAC er 500 millioner dollar. Forskere har regnet ut at det vil betale seg tilbake i løpet av et år, og i ytterligere 50 år vil det gi praktisk talt gratis strøm og varme. Ifølge prosjektlederen vil kostnaden for energi tilsvarende å brenne et tonn olje være under 10 dollar.
40 KVG-er er i stand til å møte behovene til hele den nasjonale energisektoren. Ett hundre - alle land på det eurasiske kontinentet.
I 1932 ble et positron eksperimentelt oppdaget - en partikkel med massen til et elektron, men med positiv ladning. Snart ble det antydet at ladningssymmetri eksisterer i naturen: a) hver partikkel må ha en antipartikkel; b) naturlovene endres ikke når alle partikler erstattes av tilsvarende antipartikler og omvendt. Antiprotonet og antinøytronet ble oppdaget på midten av 50-tallet. I prinsippet kan det være antimaterie som består av atomer, hvis kjerner inkluderer antiprotoner og antinøytroner, og deres skall er dannet av positroner.
Klumper av antimaterie av kosmologisk størrelse ville utgjøre antiverdener, men de finnes ikke i naturen. Antimaterie syntetiseres kun i laboratorieskala. I 1969, ved Serpukhov-akseleratoren, oppdaget sovjetiske fysikere således antiheliumkjerner bestående av to antiprotoner og ett antinøytron.
Når det gjelder mulighetene for energiomdannelse, er antimaterie bemerkelsesverdig for det faktum at når den kommer i kontakt med materie, skjer utslettelse (ødeleggelse) med frigjøring av kolossal energi (begge typer materie forsvinner, blir til stråling). Dermed genererer et elektron og et positron, som tilintetgjør, to fotoner. En type materie - ladede massive partikler - forvandles til en annen type materie - nøytrale masseløse partikler. Bruker Einsteins forhold om ekvivalens av energi og masse (E=mc 2), det er ikke vanskelig å beregne at utslettelse av ett gram materie produserer den samme energien som kan oppnås ved å brenne 10 000 tonn kull, og ett tonn antimaterie ville være nok til å gi energi til hele planeten i et år.
Astrofysikere mener at det er utslettelse som gir den gigantiske energien til kvasistjerneobjekter – kvasarer.
I 1979 klarte en gruppe amerikanske fysikere å registrere tilstedeværelsen av naturlige antiprotoner. De ble brakt av kosmiske stråler.
Einstein etablerte sammenhengen mellom energi og masse i ligningen sin:
hvor c = 300 000 000 m/s - lysets hastighet;
Dermed inneholder kroppen til en person som veier 70 kg energi
RBMK-1000 reaktoranlegget vil generere denne mengden energi kun i to tusen massen til den separerte kjernen. Selvfølgelig er den fullstendige konverteringen av masse til energi fortsatt veldig langt unna, men allerede en slik endring i massen av brensel i reaktoren, som ikke oppdages av vanlige skalaer, gjør det mulig å oppnå en gigantisk mengde energi. Endringen i brenselmasse over et år med kontinuerlig drift i RBMK-1000-reaktoren er ca. 0,3 g, men energien som frigjøres er den samme som ved brenning av 3.000.000 (tre millioner) tonn kull. % driftsår. Hovedproblemet er å lære å konvertere masse til nyttig energi. Menneskeheten tok det første skrittet for å løse dette problemet ved å mestre militær og fredelig bruk av kjernefysisk fisjonsenergi. Til en aller første tilnærming kan prosessene som skjer i en atomreaktor beskrives som kontinuerlig fisjon av kjerner. I dette tilfellet er massen til hele kjernen før fisjon større enn massen til de resulterende fragmentene. Forskjellen er omtrent 0,1
Makt.
I praksis, når vi snakker om en energikilde, er vi vanligvis interessert i kraften. Du kan løfte tusen murstein til femte etasje i et hus under bygging med en kran, eller ved hjelp av to arbeidere med en båre. I begge tilfeller er arbeidet som er utført og energien som brukes, det samme, bare kraften til energikildene er forskjellig. Definisjon:Makt energikilde (maskin), dette er mengden energi mottatt (arbeid utført) per tidsenhet.
kraft = energi (arbeid) / tid
dimensjon [J/sek = B]
Loven om energisparing
Som nevnt ovenfor er det i verden rundt oss en kontinuerlig transformasjon av energi fra en type til en annen. Ved å kaste ballen forårsaket vi en kjede av transformasjoner av mekanisk energi fra en type til en annen. En sprettball illustrerer tydelig loven om bevaring av energi:
Energi kan ikke forsvinne inn i ingenting, eller dukke opp fra ingensteds, den kan bare gå fra en type til en annen.
Ballen, etter å ha gjort flere sprett, vil til slutt forbli urørlig på overflaten. Siden den mekaniske energien som opprinnelig ble overført til den, brukes på:
a) overvinne motstanden til luften der ballen beveger seg (blir om til luftens termiske energi)
b) oppvarming av ballen og slagflaten. (en endring i form er alltid ledsaget av oppvarming, husk hvordan aluminiumstråd varmes opp når den bøyes gjentatte ganger)
Energikonvertering
Evnen til å transformere og bruke energi er en indikator på menneskehetens tekniske utvikling. Den første energiomformeren som brukes av mennesket kan betraktes som et seil - bruken av vindenergi for å bevege seg gjennom vann, videreutviklet er bruken av vind og vann i vind- og vannmøller. Oppfinnelsen og implementeringen av dampmaskinen gjorde en virkelig revolusjon innen teknologi. Dampmaskiner i fabrikker og fabrikker økte arbeidsproduktiviteten dramatisk. Damplokomotiver og motorskip gjorde transport til lands og sjø raskere og billigere. I det innledende stadiet tjente dampmotoren til å konvertere termisk energi til mekanisk energi til et roterende hjul, hvorfra energien ble overført til maskiner og mekanismer ved hjelp av forskjellige typer transmisjoner (aksler, remskiver, belter, kjeder).
Den utbredte introduksjonen av elektriske maskiner, motorer som konverterer elektrisk energi til mekanisk energi, og generatorer for å produsere elektrisitet fra mekanisk energi markerte et nytt sprang i teknologiutviklingen. Det ble mulig å overføre energi over lange avstander i form av elektrisitet, og en hel industri, energisektoren, ble født.
For tiden er det laget et stort antall enheter designet for å konvertere elektrisitet til enhver type energi som er nødvendig for menneskeliv: elektriske motorer, elektriske varmeovner, belysningslamper og de som bruker elektrisitet direkte: TVer, mottakere, etc.
NPP (med ensløyfereaktor)
Historie om utviklingen av kjernekraft
Verdens første pilotatomkraftverk med en kapasitet på 5 MW ble lansert i USSR 27. juni 1954 i Obninsk. Før dette ble energien til atomkjernen først og fremst brukt til militære formål. Lanseringen av det første atomkraftverket markerte åpningen av en ny retning innen energi, som fikk anerkjennelse på den første internasjonale vitenskapelige og tekniske konferansen om fredelig bruk av atomenergi (august 1955, Genève).
I 1958 ble 1. trinn av det sibirske kjernekraftverket med en kapasitet på 100 MW satt i drift (total designkapasitet 600 MW). Samme år begynte byggingen av det industrielle kjernekraftverket i Beloyarsk, og 26. april 1964 ga generatoren til 1. trinn (100 MW enhet) strøm til Sverdlovsk energisystem, den 2. enheten med en kapasitet på 200 MW ble satt i drift i oktober 1967. Et særtrekk ved Beloyarsk NPP er overoppheting av damp (til de nødvendige parameterne er oppnådd) direkte i en atomreaktor, noe som gjorde det mulig å bruke konvensjonelle moderne turbiner på den nesten uten noen modifikasjoner.
I september 1964 ble den første enheten til Novovoronezh NPP med en kapasitet på 210 MW lansert. Kostnaden for 1 kWh elektrisitet (den viktigste økonomiske indikatoren for driften av et hvilket som helst kraftverk) ved dette atomkraftverket gikk systematisk ned: det utgjorde 1,24 kopek. i 1965, 1,22 kopek. i 1966, 1,18 kopek. i 1967, 0,94 kopek. i 1968. Den første enheten til Novovoronezh NPP ble bygget ikke bare for industriell bruk, men også som et demonstrasjonsanlegg for å demonstrere evnene og fordelene med kjernekraft, påliteligheten og sikkerheten til kjernekraftverk. I november 1965, i byen Melekess, Ulyanovsk-regionen, kom et atomkraftverk med en vann-vannreaktor av den "kokende" typen med en kapasitet på 50 MW i drift, og reaktoren ble satt sammen i henhold til en enkeltkretsdesign , som letter utformingen av stasjonen. I desember 1969 ble den andre enheten til Novovoronezh NPP (350 MW) lansert.
I utlandet ble det første industrielle kjernekraftverket med en kapasitet på 46 MW satt i drift i 1956 i Calder Hall (England) Et år senere kom et kjernekraftverk med en kapasitet på 60 MW i drift i Shippingport (USA).
Et skjematisk diagram av et kjernekraftverk med en vannkjølt atomreaktor er vist i fig. 2. Varmen som frigjøres i reaktorkjernen 1 tas bort av vannet (kjølevæsken) i 1. krets, som pumpes gjennom reaktoren av sirkulasjonspumpe 2. Det oppvarmede vannet fra reaktoren kommer inn i varmeveksleren (dampgeneratoren) 3 , hvor den overfører varmen som genereres i reaktoren til vann 2. krets. Vannet i den andre kretsen fordamper i dampgeneratoren, og den resulterende dampen kommer inn i turbin 4.
Oftest brukes 4 typer termiske nøytronreaktorer ved kjernekraftverk: 1) vann-vannreaktorer med vanlig vann som moderator og kjølemiddel; 2) grafittvann med vannkjølevæske og grafittmoderator; 3) tungtvann med vannkjølevæske og tungtvann som moderator; 4) grafittgass med gasskjølevæske og grafittmoderator.
Valget av den overveiende brukte reaktortypen bestemmes hovedsakelig av den akkumulerte erfaringen innen reaktorkonstruksjon, samt tilgjengeligheten av nødvendig industrielt utstyr, råvarereserver, etc. I USSR, hovedsakelig grafitt-vann og vannkjølte reaktorer er bygget. Ved amerikanske kjernekraftverk er trykkvannsreaktorer de mest brukte. Grafittgassreaktorer brukes i England. Canadas kjernekraftindustri er dominert av kjernekraftverk med tungtvannsreaktorer.
Avhengig av typen og den samlede tilstanden til kjølevæsken, opprettes en eller annen termodynamisk syklus til kjernekraftverket. Valget av den øvre temperaturgrensen for den termodynamiske syklusen bestemmes av den maksimalt tillatte temperaturen til bekledningen til brenselelementer (drivstoffelementer) som inneholder kjernebrensel, den tillatte temperaturen til selve kjernebrenselet, samt egenskapene til kjølevæsken som brukes for en gitt type reaktor. Ved kjernekraftverk, hvis termiske reaktoren er avkjølt med vann, brukes vanligvis lavtemperatur-dampsykluser. Gasskjølte reaktorer tillater bruk av relativt mer økonomiske dampsykluser med økt starttrykk og temperatur. Den termiske kretsen til kjernekraftverket i disse to tilfellene er 2-krets: kjølevæsken sirkulerer i 1. krets, og damp-vannkretsen sirkulerer i 2. krets. Med reaktorer med kokende vann eller høytemperaturgasskjølevæske er et enkeltkrets termisk kjernekraftverk mulig. I kokende vannreaktorer koker vann i kjernen, den resulterende damp-vannblandingen separeres, og den mettede dampen sendes enten direkte til turbinen, eller returneres først til kjernen for overoppheting (fig. 3). I høytemperatur-grafitt-gassreaktorer er det mulig å bruke en konvensjonell gassturbinsyklus. Reaktoren i dette tilfellet fungerer som et forbrenningskammer.
Under reaktordrift avtar konsentrasjonen av spaltbare isotoper i kjernebrensel gradvis, det vil si at brenselstaver brenner ut. Derfor blir de over tid erstattet med ferske. Kjernebrensel omlastes ved hjelp av fjernstyrte mekanismer og enheter. Brukte brenselsstaver overføres til et brukt brenselsbasseng og sendes deretter til gjenvinning.
Reaktoren og dens servicesystemer inkluderer: selve reaktoren med biologisk beskyttelse, varmevekslere, pumper eller gassblåseenheter som sirkulerer kjølevæsken; rørledninger og beslag av sirkulasjonskretsen; enheter for omlasting av kjernebrensel; spesielle systemer ventilasjon, nødkjøling m.m.
Avhengig av konstruksjonen har reaktorer karakteristiske trekk: i fartøyreaktorer er drivstoffstavene og moderatoren plassert inne i huset, og bærer det fulle kjølevæsketrykket; i kanalreaktorer er brenselsstaver avkjølt med kjølevæske installert i spesielle rørkanaler som trenger inn i moderatoren, innelukket i et tynnvegget hus. Slike reaktorer brukes i USSR (Siberian, Beloyarsk kjernekraftverk, etc.).
For å beskytte kjernekraftverkspersonell mot strålingseksponering, er reaktoren omgitt av biologisk skjerming, hvor hovedmaterialene er betong, vann og serpentinsand. Reaktorkretsutstyret må være fullstendig forseglet. Et system er tilveiebrakt for å overvåke steder for mulige kjølevæskelekkasjer det tas tiltak for å sikre at forekomsten av lekkasjer og brudd i kretsen ikke fører til radioaktive utslipp og forurensning av kjernekraftverkets lokaler og området rundt. Reaktorkretsutstyr er vanligvis installert i forseglede bokser, som er adskilt fra resten av NPP-lokalene ved biologisk beskyttelse og ikke vedlikeholdes under reaktordrift. Radioaktiv luft og en liten mengde kjølevæskedamp, på grunn av tilstedeværelsen av lekkasjer fra kretsen, fjernes fra uovervåkede rom i atomkraftverket ved hjelp av et spesielt ventilasjonssystem, der rensefiltre og holdegasstanker er utstyrt for å eliminere muligheten av luftforurensning. Overholdelse av strålesikkerhetsregler av NPP-personell overvåkes av dosimetrikontrolltjenesten.
I tilfelle ulykker i reaktorens kjølesystem, for å forhindre overoppheting og svikt i tetningene til drivstoffstavskallene, gis rask (innen noen få sekunder) undertrykkelse av kjernereaksjonen; Nødkjølesystemet har autonome strømkilder.
Tilstedeværelsen av biologisk beskyttelse, spesielle ventilasjons- og nødkjølesystemer og en strålingsovervåkingstjeneste gjør det mulig å fullstendig beskytte NPP-driftspersonell mot de skadelige effektene av radioaktiv stråling.
Utstyret til turbinrommet til et kjernekraftverk ligner utstyret til turbinrommet til et termisk kraftverk. Et særtrekk ved de fleste kjernekraftverk er bruken av damp med relativt lave parametere, mettet eller lett overopphetet.
I dette tilfellet, for å forhindre erosjonsskader på bladene i de siste stadiene av turbinen av fuktighetspartikler inneholdt i dampen, er det installert skilleanordninger i turbinen. Noen ganger er det nødvendig å bruke fjernseparatorer og mellomliggende dampoverhetere. På grunn av det faktum at kjølevæsken og urenhetene den inneholder aktiveres når den passerer gjennom reaktorkjernen, må designløsningen til turbinromutstyret og turbinkondensatorkjølesystemet til enkrets kjernekraftverk fullstendig eliminere muligheten for kjølevæskelekkasje . Ved dobbeltkrets kjernekraftverk med høye dampparametere stilles det ikke slike krav til utstyret til turbinrommet.
Spesifikke krav til utformingen av kjernekraftverksutstyr inkluderer: minst mulig lengde på kommunikasjon knyttet til radioaktive medier, økt stivhet av fundamentene og bærende strukturer til reaktoren, pålitelig organisering av ventilasjon av lokalene. I fig. viser et utsnitt av hovedbygningen til Beloyarsk NPP med en kanalgrafitt-vannreaktor. Reaktorhallen rommer en reaktor med biologisk beskyttelse, reservebrenselstaver og kontrollutstyr. Kjernekraftverket er konfigurert etter reaktor-turbinblokkprinsippet. Turbingeneratorer og deres servicesystemer er plassert i turbinrommet. Mellom motor- og reaktorrommene er hjelpeutstyr og anleggskontrollsystemer plassert.
Effektiviteten til et kjernekraftverk bestemmes av de viktigste tekniske indikatorene: enhetskraft til reaktoren, effektivitet, energiintensitet til kjernen, utbrenning av kjernebrensel, utnyttelsesgrad av den installerte kapasiteten til kjernekraftverket per år. Etter hvert som kapasiteten til et kjernekraftverk øker, reduseres spesifikke kapitalinvesteringer i det (kostnaden for en installert kW) kraftigere enn tilfellet er for termiske kraftverk. Dette er hovedgrunnen til ønsket om å bygge store atomkraftverk med store enhetskraftenheter. Det er typisk for økonomien til kjernekraftverk at andelen av brenselkomponenten i kostnadene for generert elektrisitet er 30-40 % (ved termiske kraftverk 60-70 %). Derfor er store atomkraftverk mest vanlige i industrialiserte områder med begrenset tilførsel av konvensjonelt brensel, og atomkraftverk med liten kapasitet er mest vanlig i vanskelig tilgjengelige eller avsidesliggende områder, for eksempel kjernekraftverk i landsbyen. Bilibino (Yakut autonome sovjetiske sosialistiske republikk) med en elektrisk effekt på en typisk enhet på 12 MW. En del av den termiske kraften til reaktoren til dette kjernekraftverket (29 MW) brukes på varmeforsyning. I tillegg til å generere elektrisitet, brukes atomkraftverk også til å avsalte sjøvann. Dermed er Shevchenko kjernekraftverk (kasakhisk SSR) med en elektrisk kapasitet på 150 MW designet for avsalting (ved destillasjon) av opptil 150 000 tonn vann fra Det Kaspiske hav per dag.
I de fleste industrialiserte land (USSR, USA, England, Frankrike, Canada, Tyskland, Japan, Øst-Tyskland, etc.), vil kapasiteten til eksisterende og under bygging atomkraftverk ifølge prognoser økes til titalls gigawatt innen 1980. I følge FNs internasjonale atombyrå, publisert i 1967, vil den installerte kapasiteten til alle atomkraftverk i verden nå 300 GW innen 1980.
Sovjetunionen implementerer et omfattende program for å sette i gang store kraftenheter (opptil 1000 MW) med termiske nøytronreaktorer. I 1948-49 startet arbeidet med raske nøytronreaktorer for industrielle kjernekraftverk. De fysiske egenskapene til slike reaktorer gjør det mulig å utføre utvidet avl av kjernebrensel (avlsfaktor fra 1,3 til 1,7), noe som gjør det mulig å bruke ikke bare 235U, men også råmaterialer 238U og 232Th. I tillegg inneholder raske nøytronreaktorer ikke moderator, er relativt små i størrelse og har stor belastning. Dette forklarer ønsket om intensiv utvikling av raske reaktorer i USSR. For forskning på raske reaktorer ble eksperimentelle og pilotreaktorer BR-1, BR-2, BR-Z, BR-5 og BFS suksessivt bygget. Erfaringene som ble oppnådd førte til overgangen fra forskning på modellanlegg til design og konstruksjon av industrielle kjernekraftverk for hurtignøytroner (BN-350) i Shevchenko og (BN-600) ved Beloyarsk NPP. Det pågår forskning på reaktorer for kraftige atomkraftverk, for eksempel ble en pilotreaktor BOR-60 bygget i Melekess.
Det bygges også store atomkraftverk i en rekke utviklingsland (India, Pakistan osv.).
På den tredje internasjonale vitenskapelige og tekniske konferansen om fredelig bruk av atomenergi (1964, Genève), ble det bemerket at den utbredte utviklingen av kjernekraft har blitt et sentralt problem for de fleste land. Den 7. verdensenergikonferansen (WIREC-VII), som ble holdt i Moskva i august 1968, bekreftet relevansen av problemene med å velge retning for utvikling av kjernekraft i neste trinn (betinget 1980-2000), når kjernekraftverk vil bli en av hovedprodusentene av elektrisitet.
Atomenergi er energien som frigjøres under transformasjonen av atomkjerner. Kilden til atomenergi er den indre energien til atomkjernen.
Et mer nøyaktig navn på atomenergi er kjernekraft. Det er to typer kjernekraftproduksjon:
- implementering av en kjernefysisk kjedereaksjon av fisjon av tunge kjerner;
- implementering av en termonukleær reaksjon av fusjon av lette kjerner.
Myter om kjernekraft
Verdens uranreserver er i ferd med å ta slutt. Selv et barn vet om utarming av naturressurser i dag. Faktisk tømmes reservene av mange mineraler raskt. Uranreservene vurderes i dag som "relativt begrensede", men dette er ikke så lite. Til sammenligning er det like mye uran som tinn og 600 ganger mer enn gull. Ifølge foreløpige estimater fra forskere, bør reservene av dette radioaktive metallet være nok for menneskeheten i de neste 500 årene. I tillegg kan moderne reaktorer bruke thorium som drivstoff, og verdensreservene overstiger på sin side uranreservene med 3 ganger.
Kjernekraft har en ekstremt negativ innvirkning på miljøet. Representanter for ulike anti-atomkampanjer hevder ofte at atomenergi inneholder «skjulte utslipp» av gasser som har en negativ innvirkning på miljøet. Men ifølge all moderne informasjon og beregninger inneholder atomenergi, selv sammenlignet med sol- eller vannkraft, som anses som praktisk miljøvennlig, et ganske lavt nivå av karbon.
Vind- og bølgeenergi er mye mindre skadelig fra et miljøsynspunkt. I virkeligheten bygges eller er det allerede bygget vindparker i kritiske kystområder, og selve konstruksjonen forurenser allerede definitivt miljøet. Men byggingen av bølgestasjoner er fortsatt eksperimentell, og dens innvirkning på miljøet er ikke nøyaktig kjent, så det er vanskelig å kalle dem mye mer miljømessig bærekraftig sammenlignet med kjernekraft.
I områder hvor atomreaktorer er plassert, er forekomsten av leukemi høyere. Nivået av leukemi blant barn i nærheten av atomkraftverk er ikke høyere enn for eksempel i områder i nærheten av såkalte økologiske gårder. Spredningsområdet for denne sykdommen kan dekke både området rundt atomkraftverket og nasjonalparken er helt den samme.
Atomreaktorer produserer for mye avfall. Atomenergi produserer faktisk minimalt med avfall, i motsetning til miljøverneres påstander. Jorden er slett ikke fylt med radioaktivt avfall. Moderne kvil gjøre det mulig å minimere andelen av den totale mengden radioaktivt avfall i løpet av de neste 20-40 årene.
Atomenergi bidrar til spredning av våpen i verden. En økning i antall atomkraftverk vil føre nettopp til en reduksjon i spredningen av våpen. Atomstridshoder produserer reaktorbrensel av meget god kvalitet, og reaktorstridshoder produserer omtrent 15 % av verdens atombrensel. Økende etterspørsel etter reaktordrivstoff forventes å "avlede" slike stridshoder fra potensielle terrorister.
Terrorister velger atomreaktorer som mål. Etter tragedien 11. september 2001 ble det utført en rekke vitenskapelige studier for å fastslå sannsynligheten for et angrep på atomanlegg. Nyere britiske studier har imidlertid vist at atomkraftverk er ganske i stand til å "motstå" selv et Boeing 767-400-raid. Den nye generasjonen atomreaktorer skal utformes med økt beskyttelsesnivå mot potensielle angrep fra alle eksisterende fly, og det er også planer om å innføre spesielle sikkerhetsfunksjoner som kan aktiveres uten menneskelig innblanding eller datakontroll.
Kjernekraft er veldig dyrt. Kontroversiell uttalelse. Ifølge det britiske handels- og industridepartementet overstiger kostnaden ved å produsere elektrisitet fra atomkraftverk bare prisen på gass, og er 10-20 ganger mindre enn energien som produseres av vindparker på land. I tillegg kommer 10 % av de totale kostnadene for kjernekraft fra uran, og kjernekraft er ikke like mottakelig for konstante prissvingninger for drivstoff som gass eller olje.
Å avvikle et atomkraftverk er svært kostbart. Denne uttalelsen gjelder kun for atomkraftverk bygget tidligere. Mange av de nåværende atomreaktorene ble bygget uten forventning om påfølgende avvikling. Men under byggingen av nye atomkraftverk vil dette punktet allerede bli tatt i betraktning. Kostnaden for å avvikle et kjernekraftverk vil imidlertid inkluderes i kostnaden for strøm som forbrukerne betaler for. Moderne reaktorer er konstruert for å fungere i 40 år, og kostnadene ved å avvikle dem vil bli betalt over denne lange perioden, og vil derfor ha liten innvirkning på elektrisitetsprisen.
Bygging av kjernekraftverk tar for lang tid. Dette er kanskje den mest umotiverte av alle uttalelsene om anti-atomkampanjer. Byggingen av et kjernekraftverk tar fra 4 til 6 år, noe som kan sammenlignes med byggetiden til «tradisjonelle» kraftverk. Modulstrukturen til nye kjernekraftverk kan fremskynde prosessen med å bygge kjernekraftverk noe.
Et atom består av en kjerne omgitt av skyer av partikler kalt elektroner(se bilde). Atomkjernene - de minste partiklene som alle stoffer er sammensatt av - inneholder en betydelig tilførsel. Det er denne energien som frigjøres i form av stråling under nedbrytningen av radioaktive grunnstoffer. Stråling er farlig for liv, men kjernefysiske reaksjoner kan brukes til å produsere. Stråling brukes også i medisin.
Radioaktivitet
Radioaktivitet er egenskapen til kjernene til ustabile atomer til å avgi energi. De fleste tunge atomer er ustabile, men lettere atomer har radioisotoper, dvs. radioaktive isotoper. Årsaken til radioaktivitet er at atomer har en tendens til å bli stabile (se artikkel " "). Det er tre typer radioaktiv stråling: alfastråler, beta-stråler Og gammastråler. De er oppkalt etter de tre første bokstavene i det greske alfabetet. I utgangspunktet sender kjernen ut alfa- eller betastråler, og hvis den fortsatt er ustabil, sender kjernen ut gammastråler også. 
På bildet ser du tre atomkjerner. De er ustabile, og hver av dem sender ut en av tre typer stråler. Beta-partikler er elektroner med svært høy energi. De oppstår fra forfallet av et nøytron. Alfa-partikler består av to protoner og to nøytroner. Kjernen til et heliumatom har nøyaktig samme sammensetning. Gammastråler er høyenergi elektromagnetisk stråling som beveger seg med lysets hastighet.
Alfa-partikler beveger seg sakte, og et lag med stoff som er tykkere enn et papirark fanger dem. De er ikke forskjellige fra kjernene til heliumatomer. Forskere tror at helium på jorden er et produkt av naturlig radioaktivitet. En alfapartikkel flyr mindre enn 10 cm, og et ark med tykt papir vil stoppe den. En beta-partikkel flyr omtrent 1 meter i luften. En kobberplate på 1 millimeter tykk kan holde den tilbake. Intensiteten til gammastråler faller med det halve når de passerer gjennom et lag med bly på 13 millimeter eller et lag på 120 meter.
Radioaktive stoffer transporteres i tykkveggede blybeholdere for å hindre strålingslekkasje. Eksponering for stråling forårsaker brannskader, grå stær og kreft hos mennesker. Strålingsnivåer måles vha Geiger-teller. Denne enheten lager en klikkelyd når den oppdager radioaktiv stråling. Etter å ha sendt ut partikler, får kjernen et nytt atomnummer og blir til kjernen til et annet grunnstoff. Denne prosessen kalles radioaktivt forfall. Hvis det nye grunnstoffet også er ustabilt, fortsetter nedbrytningsprosessen til en stabil kjerne er dannet. For eksempel, når et plutonium-2-atom (massen er 242) sender ut en alfapartikkel hvis relative atommasse er 4 (2 protoner og 2 nøytroner), blir det til et uranatom - 238 (atommasse 238). Halvt liv- dette er tiden hvor halvparten av alle atomer i en prøve av et gitt stoff forfaller. Ulike har forskjellige halveringstid. Halveringstiden for radium-221 er 30 sekunder, mens den for uran er 4,5 milliarder år.
Kjernefysiske reaksjoner
Det er to typer kjernefysiske reaksjoner: kjernefysisk fusjon Og fisjon (spalting) av kjernen. "Syntese" betyr "kombinasjon"; Ved kjernefysisk fusjon kombineres to kjerner og en er stor. Kjernefysisk fusjon kan bare skje ved svært høye temperaturer. Fusjon frigjør en enorm mengde energi. Ved kjernefysisk fusjon kombineres to kjerner til en stor. I 1992 oppdaget COBE-satellitten en spesiell type stråling i verdensrommet, som bekrefter teorien om at den ble dannet som følge av den s.k. det store smellet. Fra begrepet fisjon er det klart at kjerner splittes fra hverandre og frigjør atomenergi. Dette er mulig når kjerner bombarderes med nøytroner og forekommer i radioaktive stoffer eller i en spesiell enhet som kalles partikkelakselerator. Kjernen deler seg, sender ut nøytroner og frigjør kolossal energi.
Kjernekraft
Energien som frigjøres fra atomreaksjoner kan brukes til å produsere elektrisitet og som kraftkilde i atomubåter og hangarskip. Driften av et atomkraftverk er basert på kjernefysisk fisjon i atomreaktorer. En stav laget av et radioaktivt stoff som uran blir bombardert med nøytroner. Urankjerner splittes og sender ut energi. Dette frigjør nye nøytroner. Denne prosessen kalles kjedereaksjon. Kraftverket produserer mer energi per masseenhet drivstoff enn noe annet kraftverk, men sikkerhetstiltak og deponering av radioaktivt avfall er ekstremt kostbart.
Atomvåpen
Virkningen av atomvåpen er basert på det faktum at ukontrollert frigjøring av en enorm mengde atomenergi fører til en forferdelig eksplosjon. På slutten av andre verdenskrig slapp USA atombomber over de japanske byene Hiroshima og Nagasaki. Hundretusenvis av mennesker døde. Atombomber er basert på fisjonsreaksjoner, hydrogen-på syntesereaksjoner. Bildet viser atombomben som ble sluppet over Hiroshima.
Radiokarbonmetoden
Radiokarbonmetoden bestemmer tiden som har gått siden en organisme døde. Levende ting inneholder små mengder karbon-14, en radioaktiv isotop av karbon. Halveringstiden er 5700 år. Når en organisme dør, tømmes karbon-14-reservene i vev, isotopen forfaller, og den gjenværende mengden kan brukes til å bestemme hvor lenge siden organismen døde. Takket være radiokarbondateringsmetoden kan du finne ut hvor lenge siden utbruddet skjedde. For å gjøre dette bruker de insekter og pollen frosset i lava.
Hvordan brukes radioaktivitet ellers?
I industrien brukes stråling for å bestemme tykkelsen på et papir- eller plastark (se artikkel ""). Ved intensiteten av beta-stråler som passerer gjennom arket, kan selv en liten heterogenitet i tykkelsen oppdages. Matprodukter - frukt, kjøtt - blir bestrålt med gammastråler for å holde dem friske. Ved hjelp av radioaktivitet sporer leger banen til et stoff i kroppen. For å finne ut hvordan sukker fordeler seg i en pasients kropp, kan en lege for eksempel injisere litt karbon-14 i sukkermolekylene og overvåke utslippet av stoffet når det kommer inn i kroppen. Strålebehandling, det vil si å bestråle en pasient med strengt doserte deler av stråling, dreper kreftceller - overgrodde celler i kroppen.