Katedra Zarządzania Innowacjami
w dyscyplinie: „Koncepcje współczesnych nauk przyrodniczych”
Prezentacja na temat: Energia jądrowa
energia: jej istota i
zastosowanie w technologii i
technologie
Plan prezentacji
WstępEnergia atomowa.
Historia odkrycia energii jądrowej
Reaktor jądrowy: historia powstania, budowa,
podstawowe zasady, klasyfikacja reaktorów
Obszary wykorzystania energii jądrowej
Wniosek
Wykorzystane źródła
Wstęp
Energetyka jest najważniejszym sektorem gospodarki narodowej,obejmujące zasoby energii, wytwarzanie, transformację,
przesył i wykorzystanie różnych rodzajów energii. To jest podstawa
gospodarka państwowa.
Świat przechodzi proces industrializacji, który wymaga
dodatkowe zużycie materiałów, co zwiększa koszty energii.
Wraz ze wzrostem populacji wzrasta zużycie energii do uprawy gleby,
zbiory, produkcja nawozów itp.
Obecnie wiele zasobów naturalnych jest łatwo dostępnych
planety się kończą. Wydobycie surowców zajmuje dużo czasu
głęboko lub na szelfach morskich. Ograniczone rezerwy światowe
Wydaje się, że ropa i gaz stwarzają przed ludzkością perspektywy
kryzys energetyczny.
Jednak wykorzystanie energii jądrowej daje ludzkości
możliwość uniknięcia tego, ponieważ wyniki są fundamentalne
badania fizyki jądra atomowego pozwalają zażegnać zagrożenie
kryzysu energetycznego poprzez wykorzystanie uwolnionej energii
w niektórych reakcjach jąder atomowych
Energia atomowa
Energia jądrowa (energia atomowa) to energiazawarte w jądrach atomowych i uwolnione
podczas reakcji jądrowych. Elektrownie jądrowe,
wytwarzające tę energię produkują 13–14%
światowa produkcja energii elektrycznej. .
Historia odkrycia energii jądrowej
1895 V.K. Roentgen odkrywa promieniowanie jonizujące (promienie rentgenowskie)1896 A. Becquerel odkrywa zjawisko promieniotwórczości.
1898 M. Skłodowska i P. Curie odkrywają pierwiastki promieniotwórcze
Po (Polon) i Ra (Rad).
1913 N. Bohr rozwija teorię budowy atomów i cząsteczek.
1932 J. Chadwick odkrywa neutrony.
1939 O. Hahn i F. Strassmann badają rozszczepienie jąder U pod wpływem
powolne neutrony.
Grudzień 1942 - Pierwsza samowystarczalność
kontrolowana reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądrowego w reaktorze SR-1 (Grupa
fizycy z Uniwersytetu w Chicago, kierowany przez E. Fermiego).
25 grudnia 1946 - Uruchomiono pierwszy radziecki reaktor F-1
stan krytyczny (grupa fizyków i inżynierów pod przewodnictwem
I.V. Kurczatowa)
1949 - Uruchomiono pierwszy reaktor do produkcji Pu
27 czerwca 1954 – Uruchomiono pierwszą na świecie elektrownię jądrową
elektrownia o mocy elektrycznej 5 MW w Obnińsku.
Na początku lat 90. w 27 krajach świata działało ponad 430 elektrowni jądrowych.
reaktory energetyczne o łącznej mocy ok. 340 GW.
Historia powstania reaktora jądrowego
Enrico Fermi (1901-1954)Kurczatow I.V. (1903-1960)
1942 w USA pod przewodnictwem E. Fermiego jako pierwsi
reaktor jądrowy.
1946 Pod jego kierownictwem uruchomiono pierwszy radziecki reaktor
Akademik I.V. Kurczatow.
Projekt reaktora NPP (uproszczony)
Niezbędne elementy:Strefa aktywna z paliwem jądrowym i
opóźniacz;
Okolica reflektora neutronów
strefa aktywna;
Płyn chłodzący;
System kontroli reakcji łańcuchowej,
łącznie z ochroną awaryjną
Ochrona przed promieniowaniem
System zdalnego sterowania
Główne cechy reaktora to
jego moc wyjściową.
Moc 1 MW - 3·1016 działek
za 1 sek.
Schematyczna budowa elektrowni jądrowej
Przekrój poprzeczny reaktora heterogenicznego
Budowa reaktora jądrowego
Współczynnik mnożenia neutronów
Charakteryzuje się szybkim wzrostem liczbyneutronów i jest równy stosunkowi liczby
neutronów w jednym pokoleniu
reakcja łańcuchowa na liczbę, która je urodziła
neutrony poprzedniej generacji.
k=Si/Si-1
k<1 – Реакция затухает
k=1 – Reakcja przebiega stacjonarnie
k=1,006 – granica sterowalności
reakcje
k>1,01 – Eksplozja (dla reaktora o godz
uwalnianie energii neutronów termicznych
będzie rosła 20 000 razy na sekundę).
Typowa reakcja łańcuchowa dla uranu;
10. Sterowanie reaktorem odbywa się za pomocą prętów zawierających kadm lub bor.
Wyróżnia się następujące rodzaje prętów (ze względu na cel zastosowania):Pręty kompensacyjne – kompensują początkowy nadmiar
reaktywność, wydłużająca się w miarę spalania paliwa; do 100
rzeczy
Drążki kontrolne - do utrzymania krytycznego
stany w dowolnym momencie, do zatrzymania, uruchomienia
reaktor; Niektóre
Uwaga: Wyróżnia się następujące rodzaje prętów (ze względu na przeznaczenie).
Aplikacje):
Drążki sterujące i kompensacyjne są opcjonalne
reprezentują różne elementy konstrukcyjne
rejestracja
Pręty awaryjne - resetowane grawitacyjnie
do środkowej części rdzenia; Niektóre. Może
Dodatkowo niektóre drążki sterujące są również resetowane.
11. Klasyfikacja reaktorów jądrowych według widma neutronów
Termiczny reaktor neutronowy („reaktor termiczny”)Aby osiągnąć temperaturę termiczną, wymagany jest moderator neutronów szybkich (woda, grafit, beryl).
energie (ułamki eV).
Małe straty neutronów w moderatorze i materiałach konstrukcyjnych =>
Jako paliwo można wykorzystać naturalny i lekko wzbogacony uran.
Potężne reaktory energetyczne mogą wykorzystywać uran o wysokiej zawartości
wzbogacanie - do 10%.
Wymagana jest duża rezerwa reaktywności.
Reaktor na neutrony szybkie („reaktor szybki”)
Węglik uranu UC, PuO2 itp. jest stosowany jako moderator i moderator
Neutronów jest znacznie mniej (0,1-0,4 MeV).
Jako paliwo można stosować wyłącznie wysoko wzbogacony uran. Ale
jednocześnie oszczędność paliwa jest 1,5 razy większa.
Wymagany jest reflektor neutronów (238U, 232Th). Wracają do aktywnej strefy
szybkie neutrony o energiach powyżej 0,1 MeV. Neutrony wychwytywane przez jądra 238U, 232Th,
przeznacza się na otrzymanie jąder rozszczepialnych 239Pu i 233U.
Wybór materiałów konstrukcyjnych nie jest ograniczony przekrojem absorpcji, Rezerwa
znacznie mniejsza reaktywność.
Pośredni reaktor neutronowy
Szybkie neutrony przed absorpcją są spowalniane do energii 1-1000 eV.
Wysokie obciążenie paliwem jądrowym w porównaniu do reaktorów termicznych
neutrony
Niemożliwe jest prowadzenie rozszerzonej reprodukcji paliwa jądrowego, jak w
reaktor na neutrony szybkie.
12. Przez rozmieszczenie paliwa
Reaktory jednorodne – paliwo i moderator stanowią jednorodnośćmieszanina
Paliwo jądrowe znajduje się w rdzeniu reaktora w postaci
jednorodna mieszanina: roztwory soli uranu; zawiesina tlenków uranu w
woda lekka i ciężka; stały moderator impregnowany uranem;
stopione sole. Opcje dla reaktorów jednorodnych z
paliwo gazowe (gazowe związki uranu) lub zawiesina
pył uranowy w gazie.
Ciepło wytworzone w rdzeniu jest usuwane przez chłodziwo (wodę,
gaz itp.) przemieszczający się rurami przez rdzeń; lub mieszanina
paliwo z moderatorem samo w sobie pełni funkcję chłodziwa,
krążących przez wymienniki ciepła.
Nie szeroko stosowany (wysoka korozja konstrukcji
materiały w paliwie ciekłym, złożoność konstrukcji reaktora
mieszaniny stałe, większe obciążenie słabo wzbogaconego uranu
paliwo itp.)
Reaktory heterogeniczne – paliwo umieszczane jest w rdzeniu dyskretnie
w formie bloków, pomiędzy którymi znajduje się moderator
Główną cechą jest obecność elementów paliwowych
(TVEL). Pręty paliwowe mogą mieć różne kształty (pręty, płytki
itp.), ale zawsze istnieje wyraźna granica pomiędzy paliwem,
moderator, chłodziwo itp.
Zdecydowana większość obecnie używanych reaktorów to reaktory
heterogeniczne, co wynika z ich zalet konstrukcyjnych pod względem
w porównaniu z reaktorami homogenicznymi.
13. Ze względu na charakter użytkowania
NazwaZamiar
Moc
Eksperymentalny
reaktory
Badanie różnych wielkości fizycznych,
których wartości są niezbędne
projektowanie i eksploatacja elektrowni jądrowych
reaktory.
~103W
Badania
reaktory
Strumienie neutronów i kwantów γ utworzone w
strefa aktywna, używana do
badania z zakresu fizyki jądrowej,
fizyka ciała stałego, chemia radiacyjna,
biologia, do badania materiałów,
przeznaczone do pracy w intensywnych warunkach
strumienie neutronów (w tym części jądrowe).
reaktory) do produkcji izotopów.
<107Вт
Wyróżniający się
Jestem pełen energii
zwykle nie
używany
Reaktory izotopowe
Do produkcji izotopów stosowanych w
broń nuklearna, na przykład 239Pu i in
przemysł.
~103W
Energia
reaktory
Aby uzyskać elektryczne i termiczne
energia wykorzystywana w sektorze energetycznym, z
odsalanie wody, do napędu mechanicznego
instalacje okrętowe itp.
Do 3-5 109W
14. Montaż reaktora heterogenicznego
W reaktorze heterogenicznym paliwo jądrowe jest rozprowadzane w substancji aktywnejstrefę dyskretnie w formie bloków, pomiędzy którymi się znajduje
moderator neutronów
15. Reaktor jądrowy na ciężką wodę
ZaletyMniejszy przekrój absorpcji
Neutrony => Ulepszone
równowaga neutronów =>
Użyj jako
naturalne paliwo uranowe
Możliwość tworzenia
ciężka woda przemysłowa
reaktory do produkcji
tryt i pluton, a także
szeroki zakres izotopów
produkty m.in
celów medycznych.
Wady
Wysoki koszt deuteru
16. Naturalny reaktor jądrowy
W naturze, w warunkach takich jaksztuczny reaktor, puszka
tworzyć obszary naturalne
reaktor jądrowy.
Jedyny znany naturalny
reaktor jądrowy istniał 2 miliardy
lat temu w regionie Oklo (Gabon).
Pochodzenie: bardzo bogata żyła rud uranu otrzymuje wodę
powierzchni, która pełni rolę moderatora neutronów. Losowy
rozpad rozpoczyna reakcję łańcuchową. Kiedy jest aktywny, woda wrze,
reakcja słabnie - samoregulacja.
Reakcja trwała ~ 100 000 lat. Teraz nie jest to możliwe ze względu na
zasoby uranu wyczerpane w wyniku naturalnego rozkładu.
Prowadzone są badania terenowe w celu zbadania migracji
izotopy – ważne dla rozwoju technik podziemnego składowania
odpady radioaktywne.
17. Obszary wykorzystania energii jądrowej
Elektrownia atomowaSchemat działania elektrowni jądrowej na podwójnym obwodzie
ciśnieniowy wodny reaktor energetyczny (WWER)
18.
Oprócz elektrowni jądrowych wykorzystywane są reaktory jądrowe:w sprawie lodołamaczy nuklearnych
na atomowych okrętach podwodnych;
podczas działania rakiet nuklearnych
silniki (w szczególności w AMS).
19. Energia jądrowa w kosmosie
sonda kosmicznaCassini, stworzony przez
projekt NASA i ESA,
uruchomiony 15.10.1997 dla
seria badań
obiekty Solarne
systemy.
Generowanie elektryczności
przeprowadzane przez trzy
radioizotop
termoelektryczny
generatory: Cassini
przewozi na pokładzie 30 kg 238Pu,
które rozpadając się,
uwalnia ciepło
konwertowalny na
Elektryczność
20. Statek kosmiczny „Prometeusz 1”
NASA pracuje nad reaktorem jądrowymzdolny do pracy w warunkach
nieważkość.
Celem jest dostarczenie energii do przestrzeni kosmicznej
statek „Prometeusz 1” zgodnie z projektem
szukać życia na księżycach Jowisza.
21. Bomba. Zasada niekontrolowanej reakcji jądrowej.
Jedyną fizyczną potrzebą jest uzyskanie stanu krytycznegomasy dla k>1,01. Nie jest wymagany rozwój systemu sterowania –
tańsze niż elektrownie jądrowe.
Metoda „pistoletowa”.
Dwie sztabki uranu o masie podkrytycznej po połączeniu przekraczają
krytyczny. Stopień wzbogacenia 235U wynosi nie mniej niż 80%.
Tego typu „dziecięca” bomba została zrzucona na Hiroszimę 08.06.45 8:15
(78-240 tys. zabitych, 140 tys. zmarło w ciągu 6 miesięcy)
22. Metoda zaciskania wybuchowego
Bomba na bazie plutonu, która przy użyciu kompleksusystemy jednoczesnej detonacji konwencjonalnych materiałów wybuchowych są sprężane do
rozmiar nadkrytyczny.
Na Nagasaki zrzucono bombę tego typu „Grubas”.
09/08/45 11:02
(75 tys. zabitych i rannych).
23. Wniosek
Problem energii jest jednym z najważniejszych problemów tego typuDziś ludzkość musi podjąć decyzję. Takie rzeczy stały się już codziennością
osiągnięcia nauki i techniki jako środek natychmiastowej komunikacji, szybki
transport, eksploracja kosmosu. Ale to wszystko wymaga
ogromny wydatek energii.
Gwałtowny wzrost produkcji i zużycia energii przyniósł nowe zmiany
poważny problem zanieczyszczenia środowiska, który stanowi
poważne zagrożenie dla ludzkości.
Zapotrzebowanie energetyczne świata w nadchodzących dziesięcioleciach
będzie szybko rosnąć. Żadnego źródła energii
będą w stanie je zapewnić, dlatego konieczne jest opracowanie wszystkich źródeł
energię i efektywne wykorzystanie zasobów energii.
Na najbliższym etapie rozwoju energetyki (pierwsze dekady XXI w.)
Najbardziej obiecujące pozostaną energetyka węglowa i energia jądrowa
energię za pomocą reaktorów termicznych i reaktorów na neutrony szybkie. Jednak możesz
nadzieję, że ludzkość nie zatrzyma się na drodze postępu,
związane ze zużyciem energii w coraz większych ilościach.
Energia zawarta w jądrach atomowych i uwolniona podczas reakcji jądrowych i rozpadu radioaktywnego.
Według prognoz paliwa organiczne wystarczą na pokrycie potrzeb energetycznych ludzkości przez 4-5 dekad. W przyszłości głównym źródłem energii może stać się energia słoneczna. Okres przejściowy wymaga źródła energii, które jest praktycznie niewyczerpalne, tanie, odnawialne i nie zanieczyszcza środowiska. I choć energetyka jądrowa nie spełnia w pełni wszystkich powyższych wymagań, to rozwija się w szybkim tempie i z nią wiąże się nasza nadzieja na rozwiązanie światowego kryzysu energetycznego.
Uwolnienie energii wewnętrznej jąder atomowych jest możliwe poprzez rozszczepienie ciężkich jąder lub fuzję lekkich jąder.
Charakterystyka atomu. Atom dowolnego pierwiastka chemicznego składa się z jądra i krążących wokół niego elektronów. Jądro atomu składa się z neutronów i protonów. Powszechna nazwa protonu i neutronu to nukleon. Neutrony nie mają ładunku elektrycznego, protony są naładowane dodatnio, elektrony - ujemne. Ładunek protonu jest w wartości bezwzględnej równy ładunkowi elektronu.
Liczba protonów jądra Z pokrywa się z jego liczbą atomową w układzie okresowym Mendelejewa. Liczba neutronów w jądrze, z nielicznymi wyjątkami, jest większa lub równa liczbie protonów.
Masa atomu skupia się w jądrze i jest określana przez masę nukleonów. Masa jednego protonu jest równa masie jednego neutronu. Masa elektronu stanowi 1/1836 masy protonu.
Stosowany jest wymiar masy atomowej jednostka masy atomowej(a.m.), co odpowiada 1,66·10 -27 kg. 1 am w przybliżeniu równa masie jednego protonu. Cechą charakterystyczną atomu jest liczba masowa A, równa całkowitej liczbie protonów i neutronów.
Obecność neutronów pozwala dwóm atomom mieć różne masy przy tych samych ładunkach elektrycznych w jądrze. Właściwości chemiczne tych dwóch atomów będą takie same; takie atomy nazywane są izotopami. W literaturze po lewej stronie oznaczenia pierwiastka na górze zapisana jest liczba masowa, na dole liczba protonów.
Paliwem jądrowym stosowanym w takich reaktorach jest izotop uranu o masie atomowej 235. Uran naturalny jest mieszaniną trzech izotopów: uranu-234 (0,006%), uranu-235 (0,711%) i uranu-238 (99,283%). Izotop uranu-235 posiada unikalne właściwości – w wyniku absorpcji niskoenergetycznego neutronu otrzymuje się jądro uranu-236, które następnie ulega rozszczepieniu – na dwie w przybliżeniu równe części, zwane produktami rozszczepienia (fragmentami). Nukleony pierwotnego jądra są rozmieszczone pomiędzy fragmentami rozszczepienia, ale nie wszystkie - uwalniane są średnio 2-3 neutrony. W wyniku rozszczepienia masa pierwotnego jądra nie zostaje całkowicie zachowana; jej część zostaje zamieniona na energię, głównie na energię kinetyczną produktów rozszczepienia i neutronów. Wartość tej energii dla jednego atomu uranu 235 wynosi około 200 MeV.
Rdzeń konwencjonalnego reaktora o mocy 1000 MW zawiera około 1 tysiąca ton uranu, z czego tylko 3–4% stanowi uran-235. W reaktorze zużywa się dziennie 3 kg tego izotopu. Zatem, aby zasilić reaktor paliwem, trzeba przerobić dziennie 430 kg koncentratu uranu, co daje średnio 2150 ton rudy uranowej
W wyniku reakcji rozszczepienia w paliwie jądrowym powstają szybkie neutrony. Jeżeli oddziałują z sąsiednimi jądrami substancji rozszczepialnej i powodują w nich reakcję rozszczepienia, następuje lawinowy wzrost liczby zdarzeń rozszczepienia. Ta reakcja rozszczepienia nazywana jest reakcją łańcuchową rozszczepienia jądrowego.
Neutrony o energii mniejszej niż 0,1 keV są najskuteczniejsze w rozwoju reakcji łańcuchowej rozszczepienia. Nazywa się je termicznymi, ponieważ ich energia jest porównywalna ze średnią energią ruchu termicznego cząsteczek. Dla porównania energia, jaką posiadają neutrony powstające podczas rozpadu jąder, wynosi 5 MeV. Nazywa się je szybkimi neutronami. Aby wykorzystać takie neutrony w reakcji łańcuchowej, należy zmniejszyć ich energię (spowolnić). Funkcje te pełni moderator. W substancjach moderatorowych szybkie neutrony są rozpraszane na jądrach, a ich energia zamieniana jest na energię ruchu termicznego atomów substancji moderatora. Najczęściej stosowanymi moderatorami są grafit i ciekłe metale (chłodziwo obiegu pierwotnego).
Szybkiemu rozwojowi reakcji łańcuchowej towarzyszy uwolnienie dużej ilości ciepła i przegrzanie reaktora. Aby utrzymać stan reaktora w stanie ustalonym, do rdzenia reaktora wprowadza się pręty regulacyjne wykonane z materiałów silnie pochłaniających neutrony termiczne, na przykład boru lub kadmu.
Energia kinetyczna produktów rozkładu zamienia się w ciepło. Ciepło jest pochłaniane przez płyn chłodzący krążący w reaktorze jądrowym i przekazywane do wymiennika ciepła (1. obieg zamknięty), gdzie wytwarzana jest para (2. obieg), która obraca turbinę turbogeneratora. Czynnikiem chłodzącym w reaktorze jest ciekły sód (1. obieg) i woda (2. obieg).
Uran-235 jest zasobem nieodnawialnym i jeśli zostanie całkowicie wykorzystany w reaktorach jądrowych, zniknie na zawsze. Dlatego atrakcyjne jest wykorzystanie jako paliwa wyjściowego izotopu uranu-238, który występuje w znacznie większych ilościach. Izotop ten nie podtrzymuje reakcji łańcuchowej pod wpływem neutronów. Może jednak absorbować szybkie neutrony, tworząc w ten sposób uran-239. W jądrach uranu-239 rozpoczyna się rozpad beta i powstaje neptun-239 (niewystępujący w naturze). Izotop ten również rozpada się i staje się plutonem-239 (niewystępującym w naturze). Pluton-239 jest jeszcze bardziej podatny na reakcje rozszczepienia neutronów termicznych. W wyniku reakcji rozszczepienia w paliwie jądrowym pluton-239 powstają szybkie neutrony, które wraz z uranem tworzą nowe paliwo i produkty rozszczepienia, które uwalniają ciepło w elementach paliwowych (elementach paliwowych). W rezultacie z kilograma uranu naturalnego można uzyskać 20–30 razy więcej energii niż w konwencjonalnych reaktorach jądrowych wykorzystujących uran-235.
Nowoczesne konstrukcje wykorzystują ciekły sód jako chłodziwo. W takim przypadku reaktor może pracować w wyższych temperaturach, zwiększając tym samym sprawność cieplną elektrowni do 40% .
Jednakże właściwości fizyczne plutonu: toksyczność, niska masa krytyczna dla spontanicznych reakcji rozszczepienia, zapłon w tlenie, kruchość i samonagrzewanie w stanie metalicznym utrudniają jego produkcję, przetwarzanie i obsługę. Dlatego reaktory powielające są nadal mniej powszechne niż reaktory na neutrony termiczne.
Do celów pokojowych energia atomowa jest wykorzystywana w elektrowniach jądrowych. Udział elektrowni jądrowych w światowej produkcji energii elektrycznej wynosi około 14% .
Jako przykład rozważmy zasadę wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni jądrowej w Woroneżu. Chłodziwo ciekłego metalu o temperaturze wlotowej 571 K przesyłane jest kanałami kanałami pod ciśnieniem 157 ATM (15,7 MPa), które w reaktorze jest podgrzewane do temperatury 595 K. Chłodziwo metalu przesyłane jest do wytwornicy pary, która odbiera zimna woda, która zamienia się w parę pod ciśnieniem 65,3 ATM (6,53 MPa). Para dostarczana jest do łopatek turbiny parowej, która obraca turbogenerator.
W reaktorach jądrowych temperatura wytwarzanej pary jest znacznie niższa niż w wytwornicy pary elektrowni cieplnych wykorzystujących paliwo organiczne. W rezultacie sprawność cieplna elektrowni jądrowych wykorzystujących wodę jako chłodziwo wynosi zaledwie 30%. Dla porównania dla elektrowni opalanych węglem, ropą czy gazem sięga 40%.
Elektrownie jądrowe wykorzystywane są w systemach zaopatrzenia ludności w energię elektryczną i ciepło, a minielektrownie jądrowe na statkach morskich (statki o napędzie atomowym, atomowe łodzie podwodne) do elektrycznego napędu śmigieł).
Do celów wojskowych energia jądrowa jest wykorzystywana w bombach atomowych. Bomba atomowa jest specjalnym reaktorem na prędkie neutrony , w którym zachodzi szybka niekontrolowana reakcja łańcuchowa z wysokim współczynnikiem mnożenia neutronów. Reaktor jądrowy bomby atomowej nie zawiera moderatorów. Dzięki temu wymiary i waga urządzenia stają się niewielkie.
Ładunek jądrowy bomby uranowej-235 jest podzielony na dwie części, z których w każdej nie jest możliwa reakcja łańcuchowa. Aby wywołać eksplozję, połowa ładunku zostaje wystrzelona w drugą, a gdy zostaną połączone, niemal natychmiast następuje wybuchowa reakcja łańcuchowa. Wybuchowa reakcja jądrowa powoduje uwolnienie ogromnej energii. W tym przypadku osiągana jest temperatura około stu milionów stopni. Następuje kolosalny wzrost ciśnienia i powstaje potężna fala uderzeniowa.
Pierwszy reaktor jądrowy został uruchomiony na Uniwersytecie w Chicago (USA) 2 grudnia 1942 r. Pierwsza bomba atomowa wybuchła 16 lipca 1945 roku w Nowym Meksyku (Alamogordo). Było to urządzenie stworzone na zasadzie rozszczepienia plutonu. Bomba składała się z plutonu otoczonego dwiema warstwami chemicznego materiału wybuchowego z zapalnikami.
Pierwszą elektrownią jądrową, która wyprodukowała prąd w 1951 r., była elektrownia jądrowa EBR-1 (USA). Na terenie byłego ZSRR - Obnińska Elektrownia Jądrowa (obwód kałuski, oddała władzę 27 czerwca 1954 r.). Pierwsza elektrownia jądrowa w ZSRR z reaktorem na neutronach szybkich o mocy 12 MW została uruchomiona w 1969 roku w mieście Dimitrowgrad. W 1984 r. na świecie działało 317 elektrowni jądrowych o łącznej mocy 191 tys. MW, co stanowiło 12% (1012 kWh) ówczesnej światowej produkcji energii elektrycznej. Największą elektrownią jądrową na świecie była w 1981 r. elektrownia jądrowa Biblis (Niemcy), której moc cieplna reaktorów wynosiła 7800 MW.
Reakcje termojądrowe nazywane są reakcjami jądrowymi fuzji lekkich jąder w cięższe. Pierwiastkiem używanym w syntezie jądrowej jest wodór. Główną zaletą synetu termojądrowego są praktycznie nieograniczone zasoby surowca, który można wydobyć z wody morskiej. Wodór w tej czy innej formie stanowi 90% całej materii. Paliwo do syntezy termojądrowej zawarte w oceanach świata wystarczy na ponad 1 miliard lat (promieniowanie słoneczne i ludzkość w Układzie Słonecznym nie wytrzymają dużo dłużej). Surowce do syntezy termojądrowej zawarte w 33 km wody oceanu pod względem energetycznym odpowiadają wszystkim zasobom paliw stałych (na Ziemi jest 40 milionów razy więcej wody). Energia deuteru zawarta w szklance wody odpowiada spaleniu 300 litrów benzyny.
Istnieją 3 izotopy wodoru : ich masy atomowe wynoszą -1,2 (deuter), 3 (tryt). Izotopy te mogą odtwarzać reakcje jądrowe, w których całkowita masa końcowych produktów reakcji jest mniejsza niż całkowita masa substancji, które weszły w reakcję. Różnica mas, podobnie jak w przypadku reakcji rozszczepienia, odpowiada energii kinetycznej produktów reakcji. Średnio spadek masy substancji biorącej udział w reakcji syntezy termojądrowej wynosi 1 amu. odpowiada uwolnieniu 931 MeV energii:
H 2 + H 2 = H 3 + neutron +3,2 MeV,
H 2 + H 2 = H 3 + proton +4,0 MeV,
H 2 + H 3 = He 4 + neutron +17,6 MeV.
W przyrodzie praktycznie nie ma trytu. Można go otrzymać poprzez oddziaływanie neutronów z izotopami litu:
Li 6 + neutron = He 4 + H 3 + 4,8 MeV.
Fuzja jąder lekkich pierwiastków nie zachodzi w sposób naturalny (z wyłączeniem procesów zachodzących w przestrzeni). Aby zmusić jądra do wejścia w reakcję termojądrową, potrzebne są wysokie temperatury (około 107 -109 K). W tym przypadku gazem jest zjonizowana plazma. Problem ograniczenia tej plazmy stanowi główną przeszkodę w stosowaniu tej metody wytwarzania energii. Temperatury około 10 milionów stopni są typowe dla środkowej części Słońca. Źródłem energii dostarczającej promieniowanie Słońca i gwiazd są reakcje termojądrowe.
Obecnie trwają prace teoretyczne i eksperymentalne mające na celu zbadanie metod magnetycznego i inercyjnego uwięzienia plazmy.
Metody wykorzystania pól magnetycznych. Wytwarza się pole magnetyczne, które przenika przez kanał poruszającej się plazmy. Naładowane cząstki tworzące plazmę poruszając się w polu magnetycznym, poddawane są działaniu sił skierowanych prostopadle do ruchu cząstek i linii pola magnetycznego. Pod wpływem działania tych sił cząstki będą poruszać się spiralnie wzdłuż linii pola. Im silniejsze pole magnetyczne, tym gęstszy staje się przepływ plazmy, izolując się w ten sposób od ścianek powłoki.
Inercyjne zamknięcie plazmowe. Reaktor przeprowadza eksplozje termojądrowe z częstotliwością 20 eksplozji na sekundę. Aby zrealizować ten pomysł, cząstkę paliwa termojądrowego podgrzewa się za pomocą skupionego promieniowania z 10 laserów do temperatury zapłonu reakcji termojądrowej w czasie, zanim ma ona czas na rozproszenie się na zauważalną odległość w wyniku termicznego ruchu atomów (10-9 S).
Fuzja termojądrowa jest podstawą bomby wodorowej (termojądrowej). W takiej bombie zachodzi samopodtrzymująca reakcja termojądrowa o charakterze wybuchowym. Materiał wybuchowy jest mieszaniną deuteru i trytu. Energia bomby atomowej wykorzystywana jest jako źródło energii aktywacji (źródło wysokich temperatur). Pierwsza na świecie bomba termojądrowa powstała w ZSRR w 1953 roku.
Pod koniec lat 50. w ZSRR rozpoczęto prace nad koncepcją syntezy termojądrowej w reaktorach typu TOKAMAK (komora toroidalna w polu magnetycznym cewki). Zasada działania jest następująca: komorę toroidalną opróżnia się i napełnia mieszaniną gazową deuteru i trytu. Przez mieszaninę przepływa prąd o natężeniu kilku milionów amperów. W ciągu 1-2 sekund temperatura mieszaniny wzrasta do setek tysięcy stopni. W komorze powstaje plazma. Dalsze ogrzewanie odbywa się poprzez wtrysk obojętnych atomów deuteru i trytu o energii 100 - 200 keV. Temperatura plazmy wzrasta do dziesiątek milionów stopni i rozpoczyna się samopodtrzymująca reakcja termojądrowa. Po 10-20 minutach w plazmie zgromadzą się ciężkie pierwiastki z częściowo odparowującego materiału ścianek komory. Plazma ochładza się i spalanie termojądrowe ustaje. Komorę należy ponownie wyłączyć i oczyścić z nagromadzonych zanieczyszczeń. Wymiary torusa dla reaktora o mocy cieplnej 5000 MW są następujące: promień zewnętrzny -10m; promień wewnętrzny - 2,5 m.
Badania mające na celu znalezienie sposobu kontrolowania reakcji termojądrowych, tj. Wykorzystanie energii termojądrowej do celów pokojowych rozwija się z dużą intensywnością.
W 1991 roku we wspólnym europejskim ośrodku w Wielkiej Brytanii po raz pierwszy udało się osiągnąć znaczne uwolnienie energii podczas kontrolowanej syntezy termojądrowej. Tryb optymalny utrzymywał się przez 2 sekundy i towarzyszyło mu wyzwolenie energii o mocy około 1,7 MW. Maksymalna temperatura wynosiła 400 milionów stopni.
Termonuklearny generator elektryczny. W przypadku stosowania deuteru jako paliwa termojądrowego dwie trzecie energii musi zostać uwolnione w postaci energii kinetycznej naładowanych cząstek. Za pomocą metod elektromagnetycznych energię tę można przekształcić w energię elektryczną.
Energię elektryczną można pozyskać w stacjonarnym i impulsowym trybie pracy instalacji. W pierwszym przypadku jony i elektrony powstałe w wyniku samopodtrzymującej się reakcji termojądrowej są hamowane przez pole magnetyczne. Prąd jonowy jest oddzielany od prądu elektronowego za pomocą poprzecznego pola magnetycznego. Sprawność takiego układu podczas hamowania bezpośredniego wyniesie około 50%, a pozostała część energii zamieni się w ciepło.
Silniki fuzyjne (nie zaimplementowano). Zakres zastosowania: statek kosmiczny. W pełni zjonizowana plazma deuterowa o temperaturze 1 miliarda stopni Celsjusza jest utrzymywana w postaci sznura przez liniowe pole magnetyczne cewek nadprzewodników. Płyn roboczy wprowadzany jest do komory przez ścianki, chłodząc je i podgrzewając opływając przewód plazmowy. Prędkość osiowa wypływu jonów na wyjściu z dyszy magnetycznej wynosi 10 000 km/s.
W 1972 roku na jednym ze spotkań Klubu Rzymskiego – organizacji badającej przyczyny i poszukującej rozwiązań problemów na skalę planetarną – naukowcy E. von Weinzsäcker, A. H. Lovins sporządzili raport, w wyniku którego uzyskano efekt wybuchu bomby. Według danych podanych w raporcie źródła energii planety – węgiel, gaz, ropa i uran – wystarczą do 2030 roku. Aby wydobyć węgiel, z którego można uzyskać energię o wartości 1 dolara, trzeba będzie wydać energię kosztującą 99 centów.
Uran-235, który służy jako paliwo dla elektrowni jądrowych, nie występuje w przyrodzie tak obficie: tylko 5% całkowitej ilości uranu na świecie, z czego 2% znajduje się w Rosji. Dlatego elektrownie jądrowe mogą być wykorzystywane wyłącznie do celów pomocniczych. Badania naukowców, którzy próbowali pozyskać energię z plazmy na TOKAMAKACH, do dziś pozostają kosztownym przedsięwzięciem. W 2000 roku pojawiły się doniesienia, że Europejska Wspólnota Atomowa (CERN) i Japonia budują pierwszy segment TOKAMAKA.
Ratunkiem może nie być „pokojowy atom” elektrowni jądrowej, ale „wojskowy” – energia bomby termojądrowej.
Rosyjscy naukowcy nazwali swój wynalazek kotłem o spalaniu wybuchowym (ECC). Zasada działania PIC opiera się na eksplozji bardzo małej bomby termojądrowej w specjalnym sarkofagu - kotle. Eksplozje zdarzają się regularnie. Co ciekawe, w VBC ciśnienie na ściankach kotła podczas eksplozji jest mniejsze niż w cylindrach zwykłego samochodu.
Dla bezpiecznej pracy kotła średnica wewnętrzna kotła musi wynosić co najmniej 100 metrów. Podwójne stalowe ściany i żelbetowa skorupa o grubości 30 metrów zapewnią tłumienie drgań. Do jego budowy wykorzystana zostanie wyłącznie stal wysokiej jakości, niczym dwa nowoczesne pancerniki wojskowe. Budowa KVS planowana jest na 5 lat. W 2000 roku w jednym z zamkniętych miast Rosji przygotowano projekt budowy eksperymentalnej instalacji dla „bomby” o mocy 2–4 kiloton odpowiednika nuklearnego. Koszt tego FAC wynosi 500 milionów dolarów. Naukowcy obliczyli, że zwróci się ona za rok, a przez kolejne 50 lat będzie dostarczać praktycznie darmowy prąd i ciepło. Według kierownika projektu koszt energii odpowiadający spaleniu tony ropy wyniesie niecałe 10 dolarów.
40 KVG jest w stanie zaspokoić potrzeby całego krajowego sektora energetycznego. Sto - wszystkie kraje kontynentu euroazjatyckiego.
W 1932 roku odkryto eksperymentalnie pozyton – cząstkę o masie elektronu, ale o ładunku dodatnim. Wkrótce zasugerowano, że w przyrodzie istnieje symetria ładunku: a) każda cząstka musi mieć antycząstkę; b) prawa natury nie zmieniają się, gdy wszystkie cząstki zostaną zastąpione odpowiednimi antycząstkami i odwrotnie. Antyproton i antyneutron odkryto w połowie lat 50. XX wieku. W zasadzie antymateria może składać się z atomów, których jądra obejmują antyprotony i antyneutrony, a ich powłokę tworzą pozytony.
Skrzepy antymaterii o kosmologicznych rozmiarach tworzyłyby antyświaty, ale nie występują w naturze. Antymateria jest syntetyzowana wyłącznie na skalę laboratoryjną. Tak więc w 1969 roku w akceleratorze Serpuchowa sowieccy fizycy wykryli jądra antyhelu składające się z dwóch antyprotonów i jednego antyneutronu.
Jeśli chodzi o możliwości konwersji energii, antymateria wyróżnia się tym, że w kontakcie z materią następuje anihilacja (zniszczenie) wraz z wyzwoleniem kolosalnej energii (oba rodzaje materii znikają, zamieniając się w promieniowanie). Zatem anihilujący elektron i pozyton generują dwa fotony. Jeden rodzaj materii – naładowane masywne cząstki – przekształca się w inny rodzaj materii – neutralne cząstki bez masy. Wykorzystanie zależności Einsteina o równoważności energii i masy (E=mc2), nietrudno policzyć, że w wyniku anihilacji jednego grama materii powstaje taka sama energia, jaką można uzyskać spalając 10 000 ton węgla, a jedna tona antymaterii wystarczyłaby, aby zapewnić energię całej planecie przez rok.
Astrofizycy uważają, że to anihilacja zapewnia gigantyczną energię obiektom quasi-gwiazdowym - kwazarom.
W 1979 roku grupie amerykańskich fizyków udało się zarejestrować obecność naturalnych antyprotonów. Zostały przyniesione przez promienie kosmiczne.
Einstein ustalił związek między energią i masą w swoim równaniu:
gdzie c = 300 000 000 m/s - prędkość światła;
Zatem ciało osoby ważącej 70 kg zawiera energię
taką ilość energii wygeneruje reaktor RBMK-1000 dopiero w dwa tysiące masa oddzielonego rdzenia. Oczywiście do całkowitego przekształcenia masy w energię jest jeszcze bardzo daleko, ale już taka zmiana masy paliwa w reaktorze, której nie wykrywa zwykła waga, pozwala uzyskać gigantyczną ilość energii. Zmiana masy paliwa w ciągu roku ciągłej pracy reaktora RBMK-1000 wynosi około 0,3 g, ale uwolniona energia jest taka sama, jak przy spaleniu 3 000 000 (trzech milionów) ton węgla.% lat pracy. Głównym problemem jest nauczenie się zamiany masy na użyteczną energię. Ludzkość zrobiła pierwszy krok, aby rozwiązać ten problem, opanowując militarne i pokojowe wykorzystanie energii rozszczepienia jądrowego. W pierwszym przybliżeniu procesy zachodzące w reaktorze jądrowym można opisać jako ciągłe rozszczepienie jąder. W tym przypadku masa całego jądra przed rozszczepieniem jest większa niż masa powstałych fragmentów. Różnica wynosi około 0,1
Moc.
W praktyce, gdy mówimy o źródle energii, zwykle interesuje nas jej moc. Za pomocą dźwigu lub przy pomocy dwóch pracowników na noszach możesz podnieść tysiąc cegieł na piąte piętro budowanego domu. W obu przypadkach wykonana praca i wydatkowana energia są takie same, różni się jedynie moc źródeł energii. Definicja:Mocźródło energii (maszyna), jest to ilość energii otrzymanej (wykonanej pracy) w jednostce czasu.
moc = energia (praca) / czas
wymiar [J/s = W]
Prawo zachowania energii
Jak wspomniano powyżej, w otaczającym nas świecie następuje ciągła transformacja energii z jednego rodzaju na drugi. Podrzucając piłkę, spowodowaliśmy łańcuch przemian energii mechanicznej z jednego rodzaju na drugi. Odbijająca się piłka wyraźnie ilustruje prawo zachowania energii:
Energia nie może zniknąć znikąd ani pojawić się znikąd, może jedynie przechodzić z jednego rodzaju do drugiego.
Piłka po kilku odbiciach ostatecznie pozostanie nieruchoma na powierzchni. Ponieważ początkowo przeniesiona do niej energia mechaniczna jest wydawana na:
a) pokonanie oporu powietrza, w którym porusza się piłka (zamienia się w energię cieplną powietrza)
b) nagrzewanie piłki i powierzchni uderzenia. (zmianie kształtu zawsze towarzyszy nagrzewanie, pamiętajcie jak nagrzewa się drut aluminiowy przy wielokrotnym zginaniu)
Konwersja energii
Zdolność do przetwarzania i wykorzystania energii jest wskaźnikiem technicznego rozwoju ludzkości. Za pierwszy zastosowany przez człowieka konwerter energii można uznać żagiel – wykorzystanie energii wiatru do poruszania się po wodzie, dalszym rozwinięciem jest wykorzystanie wiatru i wody w młynach wiatrowych i wodnych. Wynalezienie i wdrożenie maszyny parowej dokonało prawdziwej rewolucji technologicznej. Silniki parowe w fabrykach i fabrykach dramatycznie zwiększyły wydajność pracy. Lokomotywy parowe i statki motorowe sprawiły, że transport lądowy i morski był szybszy i tańszy. W początkowej fazie silnik parowy służył do zamiany energii cieplnej na energię mechaniczną obracającego się koła, z której za pomocą różnego rodzaju przekładni (wałów, kół pasowych, pasów, łańcuchów) energia przekazywana była do maszyn i mechanizmów.
Powszechne wprowadzenie maszyn elektrycznych, silników przetwarzających energię elektryczną na energię mechaniczną oraz generatorów do wytwarzania energii elektrycznej z energii mechanicznej oznaczało nowy skok w rozwoju technologii. Stało się możliwe przesyłanie energii na duże odległości w postaci prądu elektrycznego i narodził się cały przemysł, sektor energetyczny.
Obecnie stworzono dużą liczbę urządzeń służących do zamiany energii elektrycznej na każdy rodzaj energii niezbędnej do życia człowieka: silniki elektryczne, grzejniki elektryczne, lampy oświetleniowe oraz takie, które bezpośrednio korzystają z energii elektrycznej: telewizory, odbiorniki itp.
NPP (z reaktorem jednopętlowym)
Historia rozwoju energetyki jądrowej
Pierwsza na świecie pilotażowa elektrownia jądrowa o mocy 5 MW została uruchomiona w ZSRR 27 czerwca 1954 roku w Obnińsku. Wcześniej energia jądra atomowego była wykorzystywana głównie do celów wojskowych. Uruchomienie pierwszej elektrowni jądrowej zapoczątkowało nowy kierunek w energetyce, co zostało docenione na I Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej na temat Pokojowego Wykorzystania Energii Atomowej (sierpień 1955, Genewa).
W 1958 roku oddano do użytku I stopień Syberyjskiej Elektrowni Jądrowej o mocy 100 MW (całkowita moc projektowa 600 MW). W tym samym roku rozpoczęto budowę przemysłowej elektrowni jądrowej w Biełojarsku, a 26 kwietnia 1964 r. generator I stopnia (blok 100 MW) dostarczał prąd do systemu energetycznego w Swierdłowsku, blok II o mocy 200 MW została oddana do eksploatacji w październiku 1967 r. Cechą charakterystyczną elektrowni jądrowej w Biełojarsku jest przegrzewanie pary (do uzyskania wymaganych parametrów) bezpośrednio w reaktorze jądrowym, co umożliwiło zastosowanie w niej konwencjonalnych, nowoczesnych turbin niemal bez żadnych modyfikacji.
We wrześniu 1964 r. uruchomiono pierwszy blok elektrowni jądrowej Nowoworoneż o mocy 210 MW. Koszt 1 kWh energii elektrycznej (najważniejszy ekonomiczny wskaźnik pracy każdej elektrowni) w tej elektrowni jądrowej systematycznie spadał: wyniósł 1,24 kopiejek. w 1965 r. 1,22 kopiejek. w 1966 r. 1,18 kopiejki. w 1967 r. 0,94 kopiejek. w 1968 r. Pierwszy blok elektrowni jądrowej Nowoworoneż został zbudowany nie tylko do użytku przemysłowego, ale także jako obiekt demonstracyjny demonstrujący możliwości i zalety energii jądrowej, niezawodność i bezpieczeństwo elektrowni jądrowych. W listopadzie 1965 r. W mieście Melekess w obwodzie uljanowskim uruchomiono elektrownię jądrową z reaktorem wodno-wodnym typu „wrzącego” o mocy 50 MW, reaktor został zmontowany według projektu jednoprzewodowego; , ułatwiając rozplanowanie stacji. W grudniu 1969 r. uruchomiono drugi blok elektrowni jądrowej Nowoworoneż (350 MW).
Za granicą pierwszą przemysłową elektrownię jądrową o mocy 46 MW uruchomiono w 1956 roku w Calder Hall (Anglia). Rok później uruchomiono elektrownię jądrową o mocy 60 MW w Shippingport (USA).
Schemat ideowy elektrowni jądrowej z reaktorem jądrowym chłodzonym wodą pokazano na ryc. 2. Ciepło wydzielone w rdzeniu reaktora 1 jest odbierane przez wodę (chłodziwo) z 1. obiegu, która jest pompowana przez reaktor za pomocą pompy obiegowej 2. Podgrzana woda z reaktora trafia do wymiennika ciepła (wytwornicy pary) 3. , gdzie przekazuje ciepło wytworzone w reaktorze do II obiegu wodnego. Woda z drugiego obiegu odparowuje w generatorze pary, a powstała para dostaje się do turbiny 4.
Najczęściej w elektrowniach jądrowych stosuje się 4 rodzaje reaktorów na neutrony termiczne: 1) reaktory wodno-wodne ze zwykłą wodą jako moderatorem i chłodziwem; 2) grafit-woda z wodnym chłodziwem i moderatorem grafitu; 3) ciężka woda z wodą chłodzącą i ciężką wodą jako moderatorem; 4) grafit-gaz z chłodziwem gazowym i moderatorem grafitowym.
O wyborze najczęściej stosowanego typu reaktora decyduje głównie zgromadzone doświadczenie w budowie reaktorów, a także dostępność niezbędnego sprzętu przemysłowego, rezerwy surowców itp. W ZSRR głównie reaktory grafitowo-wodne i chłodzone wodą są zbudowane. W amerykańskich elektrowniach jądrowych najczęściej stosowane są reaktory wodne ciśnieniowe. W Anglii stosowane są reaktory gazowe grafitowe. Kanadyjska energetyka jądrowa jest zdominowana przez elektrownie jądrowe wyposażone w reaktory ciężkowodne.
W zależności od rodzaju i stanu skupienia chłodziwa powstaje jeden lub drugi obieg termodynamiczny elektrowni jądrowej. O wyborze górnej granicy temperatury cyklu termodynamicznego decyduje maksymalna dopuszczalna temperatura płaszczy elementów paliwowych (elementów paliwowych) zawierających paliwo jądrowe, dopuszczalna temperatura samego paliwa jądrowego, a także przyjęte właściwości chłodziwa dla danego typu reaktora. W elektrowniach jądrowych, których reaktor termiczny chłodzony jest wodą, zwykle stosuje się niskotemperaturowe obiegi parowe. Reaktory chłodzone gazem pozwalają na zastosowanie stosunkowo bardziej ekonomicznych obiegów parowych o podwyższonym ciśnieniu początkowym i temperaturze. Obwód cieplny elektrowni jądrowej w tych dwóch przypadkach jest dwuobwodowy: chłodziwo krąży w 1. obwodzie, a obieg pary i wody w 2. obwodzie. W przypadku reaktorów z wrzącą wodą lub wysokotemperaturowym chłodziwem gazowym możliwa jest jednoprzewodowa termiczna elektrownia jądrowa. W reaktorach z wrzącą wodą woda wrze w rdzeniu, powstająca mieszanina pary i wody jest oddzielana, a para nasycona kierowana jest bezpośrednio do turbiny lub najpierw jest zawracana do rdzenia w celu przegrzania (rys. 3). W wysokotemperaturowych reaktorach grafitowo-gazowych możliwe jest zastosowanie konwencjonalnego obiegu turbiny gazowej. Reaktor w tym przypadku pełni rolę komory spalania.
Podczas pracy reaktora stężenie izotopów rozszczepialnych w paliwie jądrowym stopniowo maleje, co oznacza wypalanie prętów paliwowych. Dlatego z czasem zastępuje się je świeżymi. Przeładunek paliwa jądrowego odbywa się za pomocą zdalnie sterowanych mechanizmów i urządzeń. Wypalone pręty paliwowe trafiają do składowiska zużytego paliwa, a następnie poddawane są recyklingowi.
Reaktor i jego systemy obsługi obejmują: sam reaktor wraz z ochroną biologiczną, wymienniki ciepła, pompy lub zespoły przedmuchujące gaz, które cyrkulują chłodziwo; rurociągi i armatura obiegu cyrkulacyjnego; urządzenia do przeładunku paliwa jądrowego; systemy specjalne wentylacja, chłodzenie awaryjne itp.
W zależności od konstrukcji reaktory mają charakterystyczne cechy: w reaktorach zbiornikowych pręty paliwowe i moderator znajdują się wewnątrz obudowy, wytrzymując pełne ciśnienie chłodziwa; w reaktorach kanałowych pręty paliwowe chłodzone chłodziwem są instalowane w specjalnych kanałach rurowych, które przenikają do moderatora, zamkniętych w cienkościennej obudowie. Takie reaktory są stosowane w ZSRR (elektrownie jądrowe syberyjskie, białojarskie itp.).
Aby chronić personel elektrowni jądrowej przed narażeniem na promieniowanie, reaktor jest otoczony osłoną biologiczną, której głównymi materiałami są beton, woda i serpentynowy piasek. Wyposażenie obwodu reaktora musi być całkowicie szczelne. Zapewniony jest system monitorowania miejsc ewentualnych wycieków chłodziwa; podejmowane są działania mające na celu zapewnienie, że wystąpienie nieszczelności i przerw w obwodzie nie doprowadzi do emisji radioaktywnych i skażenia terenu elektrowni jądrowej i jej otoczenia. Urządzenia obwodu reaktora instalowane są zazwyczaj w szczelnych skrzynkach, które są oddzielone od reszty terenu elektrowni biologicznej ochroną biologiczną i nie są konserwowane w czasie pracy reaktora. Powietrze radioaktywne i niewielka ilość oparów chłodziwa, w związku z obecnością nieszczelności obwodu, usuwane są z pomieszczeń bez nadzoru elektrowni jądrowej za pomocą specjalnego systemu wentylacyjnego, w którym zastosowano filtry czyszczące i zbiorniki gazu zatrzymującego, aby wyeliminować możliwość zanieczyszczenia powietrza. Przestrzeganie przez personel EJ zasad bezpieczeństwa radiologicznego monitoruje służba kontroli dozymetrycznej.
W przypadku awarii układu chłodzenia reaktora, aby zapobiec przegrzaniu i uszkodzeniu uszczelek płaszczy prętów paliwowych, zapewnione jest szybkie (w ciągu kilku sekund) stłumienie reakcji jądrowej; Awaryjny układ chłodzenia posiada autonomiczne źródła zasilania.
Obecność ochrony biologicznej, specjalnych systemów wentylacji i chłodzenia awaryjnego oraz monitoringu radiacyjnego pozwala na pełną ochronę personelu obsługującego elektrownię jądrową przed szkodliwym działaniem promieniowania radioaktywnego.
Wyposażenie turbinowni elektrowni jądrowej jest podobne do wyposażenia turbinowni elektrowni cieplnej. Cechą charakterystyczną większości elektrowni jądrowych jest wykorzystanie pary o stosunkowo niskich parametrach, nasyconej lub lekko przegrzanej.
W tym przypadku, aby zapobiec uszkodzeniom erozyjnym łopatek ostatnich stopni turbiny przez cząsteczki wilgoci zawarte w parze, w turbinie instaluje się urządzenia oddzielające. Czasami konieczne jest zastosowanie zdalnych separatorów i pośrednich przegrzewaczy pary. Ze względu na fakt, że chłodziwo i zawarte w nim zanieczyszczenia ulegają aktywacji podczas przechodzenia przez rdzeń reaktora, rozwiązanie konstrukcyjne wyposażenia turbinowni i układu chłodzenia skraplacza turbiny jednoprzewodowych elektrowni jądrowych musi całkowicie eliminować możliwość wycieku chłodziwa . W dwuprzewodowych elektrowniach jądrowych o wysokich parametrach pary takich wymagań nie stawia się urządzeniom turbinowni.
Szczegółowe wymagania dotyczące rozmieszczenia urządzeń elektrowni jądrowej obejmują: minimalną możliwą długość komunikacji związanej z mediami promieniotwórczymi, zwiększoną sztywność fundamentów i konstrukcji nośnych reaktora, niezawodną organizację wentylacji pomieszczeń. Na ryc. przedstawia fragment głównego budynku elektrowni jądrowej w Biełojarsku z kanałowym reaktorem grafitowo-wodnym. W hali reaktora znajduje się reaktor z ochroną biologiczną, zapasowe pręty paliwowe i aparatura sterownicza. Elektrownia jądrowa jest skonfigurowana zgodnie z zasadą bloku reaktora i turbiny. W turbinowni znajdują się turbogeneratory i układy ich obsługi. Pomiędzy maszynownią a pomieszczeniami reaktora znajdują się urządzenia pomocnicze i systemy sterowania elektrownią.
Sprawność elektrowni jądrowej określa się na podstawie jej głównych wskaźników technicznych: mocy jednostkowej reaktora, sprawności, energochłonności rdzenia, spalania paliwa jądrowego, stopnia wykorzystania mocy zainstalowanej elektrowni jądrowej w skali roku. Wraz ze wzrostem mocy elektrowni jądrowej specyficzne inwestycje kapitałowe w nią (koszt zainstalowanego kW) spadają bardziej gwałtownie niż w przypadku elektrowni cieplnych. To jest główny powód chęci budowy dużych elektrowni jądrowych z dużymi blokami energetycznymi. Charakterystyczną cechą ekonomiki elektrowni jądrowych jest to, że udział składnika paliwowego w kosztach wytworzonej energii elektrycznej wynosi 30-40% (w elektrowniach cieplnych 60-70%). Dlatego duże elektrownie jądrowe występują najczęściej na obszarach uprzemysłowionych o ograniczonych dostawach paliwa konwencjonalnego, a elektrownie jądrowe o małej mocy najczęściej spotyka się na obszarach trudno dostępnych lub odległych, np. elektrowniach jądrowych na wsi. Bilibino (Jakucka Autonomiczna Socjalistyczna Republika Radziecka) o mocy elektrycznej typowej jednostki 12 MW. Część mocy cieplnej reaktora tej elektrowni jądrowej (29 MW) jest zużywana na zaopatrzenie w ciepło. Oprócz wytwarzania energii elektrycznej elektrownie jądrowe służą również do odsalania wody morskiej. Tym samym Elektrownia Jądrowa Szewczenki (Kazachska SRR) o mocy elektrycznej 150 MW jest przeznaczona do odsalania (w drodze destylacji) do 150 000 ton wody z Morza Kaspijskiego dziennie.
W większości krajów uprzemysłowionych (ZSRR, USA, Anglia, Francja, Kanada, Niemcy, Japonia, Niemcy Wschodnie itp.) według prognoz moc istniejących i budowanych elektrowni jądrowych zostanie zwiększona do kilkudziesięciu gigawatów do roku 1980. Według Międzynarodowej Agencji Atomowej ONZ, opublikowanej w 1967 r., moc zainstalowana wszystkich elektrowni jądrowych na świecie osiągnie do 1980 r. 300 GW.
Związek Radziecki realizuje szeroko zakrojony program uruchamiania dużych bloków energetycznych (do 1000 MW) wyposażonych w reaktory na neutronach termicznych. W latach 1948-49 rozpoczęto prace nad reaktorami na prędkie neutrony dla przemysłowych elektrowni jądrowych. Cechy fizyczne takich reaktorów umożliwiają prowadzenie rozszerzonej hodowli paliwa jądrowego (współczynnik hodowlany od 1,3 do 1,7), co pozwala na wykorzystanie nie tylko 235U, ale także surowców 238U i 232Th. Ponadto reaktory na neutrony szybkie nie zawierają moderatora, są stosunkowo małe i mają duży ładunek. To wyjaśnia chęć intensywnego rozwoju szybkich reaktorów w ZSRR. Do badań nad reaktorami prędkimi budowano sukcesywnie reaktory eksperymentalne i pilotażowe BR-1, BR-2, BR-Z, BR-5 i BFS. Zdobyte doświadczenia doprowadziły do przejścia od badań nad elektrowniami modelowymi do projektowania i budowy przemysłowych elektrowni jądrowych na neutronach szybkich (BN-350) w Szewczence i (BN-600) w elektrowni jądrowej Biełojarsk. Trwają badania nad reaktorami dla potężnych elektrowni jądrowych, np. w Melekess zbudowano reaktor pilotażowy BOR-60.
Duże elektrownie jądrowe buduje się także w wielu krajach rozwijających się (Indie, Pakistan itp.).
Na III Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej na temat Pokojowego Wykorzystania Energii Atomowej (1964, Genewa) zauważono, że powszechny rozwój energetyki jądrowej stał się kluczowym problemem dla większości krajów. VII Światowa Konferencja Energetyczna (WIREC-VII), która odbyła się w Moskwie w sierpniu 1968 roku, potwierdziła aktualność problemów wyboru kierunku rozwoju energetyki jądrowej w kolejnym etapie (warunkowo 1980-2000), kiedy elektrownie jądrowe staną się jeden z głównych producentów energii elektrycznej.
Energia atomowa to energia uwalniana podczas transformacji jąder atomowych. Źródłem energii atomowej jest energia wewnętrzna jądra atomowego.
Bardziej dokładną nazwą energii atomowej jest energia jądrowa. Istnieją dwa rodzaje produkcji energii jądrowej:
- wdrożenie jądrowej reakcji łańcuchowej rozszczepienia ciężkich jąder;
- wdrożenie reakcji termojądrowej syntezy lekkich jąder.
Mity na temat energetyki jądrowej
Światowe rezerwy uranu się wyczerpują. Nawet dziecko wie, że w dzisiejszych czasach zasoby naturalne wyczerpują się. Rzeczywiście, zasoby wielu minerałów szybko się wyczerpują. Zasoby uranu ocenia się obecnie jako „stosunkowo ograniczone”, ale nie są one aż tak małe. Dla porównania uranu jest tyle, co cyny i 600 razy więcej niż złota. Według wstępnych szacunków naukowców zasoby tego radioaktywnego metalu powinny wystarczyć ludzkości na kolejne 500 lat. Ponadto nowoczesne reaktory mogą wykorzystywać tor jako paliwo, a jego światowe rezerwy z kolei 3 razy przekraczają rezerwy uranu.
Energia jądrowa ma niezwykle negatywny wpływ na środowisko. Przedstawiciele różnych kampanii antynuklearnych często twierdzą, że energia jądrowa zawiera „ukrytą emisję” gazów, które mają negatywny wpływ na środowisko. Jednak według wszystkich współczesnych informacji i obliczeń energia jądrowa, nawet w porównaniu z energią słoneczną czy wodną, które są uważane za praktycznie przyjazne dla środowiska, zawiera dość niski poziom węgla.
Energia wiatru i fal jest znacznie mniej szkodliwa z punktu widzenia ochrony środowiska. W rzeczywistości farmy wiatrowe są budowane lub już budowane w krytycznych obszarach przybrzeżnych, a sama budowa już teraz zdecydowanie zanieczyszcza środowisko. Jednak budowa stacji falowych ma nadal charakter eksperymentalny, a jej wpływ na środowisko nie jest dokładnie znany, dlatego trudno nazwać je znacznie bardziej zrównoważonymi środowiskowo w porównaniu z energią jądrową.
Na obszarach, gdzie zlokalizowane są reaktory jądrowe, zapadalność na białaczkę jest większa. Poziom białaczki wśród dzieci w sąsiedztwie elektrowni jądrowych nie jest wyższy niż np. na terenach w pobliżu tzw. gospodarstw ekologicznych. Obszar rozprzestrzeniania się tej choroby może obejmować zarówno obszar wokół elektrowni jądrowej, jak i park narodowy, stopień zagrożenia jest absolutnie taki sam;
Reaktory jądrowe wytwarzają za dużo odpadów. Wbrew twierdzeniom ekologów, energia jądrowa faktycznie wytwarza minimalną ilość odpadów. Ziemia wcale nie jest wypełniona odpadami radioaktywnymi. Nowoczesne technologie wytwarzania energii jądrowej pozwolą w ciągu najbliższych 20-40 lat zminimalizować udział całkowitej ilości odpadów promieniotwórczych.
Energia jądrowa przyczynia się do rozprzestrzeniania broni na świecie. Zwiększenie liczby elektrowni jądrowych doprowadzi właśnie do ograniczenia rozprzestrzeniania broni. Głowice jądrowe wytwarzają paliwo reaktorowe bardzo dobrej jakości, a głowice reaktorowe wytwarzają około 15% światowego paliwa jądrowego. Oczekuje się, że rosnące zapotrzebowanie na paliwo reaktorowe „odwróci” takie głowice od potencjalnych terrorystów.
Terroryści jako cele wybierają reaktory jądrowe. Po tragedii z 11 września 2001 roku przeprowadzono szereg badań naukowych mających na celu określenie prawdopodobieństwa ataku na obiekty nuklearne. Jednak ostatnie brytyjskie badania dowiodły, że elektrownie jądrowe są w stanie „przetrzymać” nawet nalot Boeinga 767-400. Reaktory jądrowe nowej generacji zostaną zaprojektowane z podwyższonym poziomem ochrony przed potencjalnymi atakami ze wszystkich istniejących statków powietrznych. Planowane jest także wprowadzenie specjalnych zabezpieczeń, które można uruchomić bez interwencji człowieka lub kontroli komputera.
Energia jądrowa jest bardzo droga. Kontrowersyjne stwierdzenie. Według brytyjskiego Departamentu Handlu i Przemysłu koszt wytworzenia prądu w elektrowniach jądrowych przewyższa jedynie cenę gazu i jest 10-20 razy niższy niż energia wytwarzana przez lądowe farmy wiatrowe. Ponadto 10% całkowitego kosztu energii jądrowej pochodzi z uranu, a energia jądrowa nie jest tak podatna na ciągłe wahania cen paliw takich jak gaz czy ropa naftowa.
Likwidacja elektrowni jądrowej jest bardzo kosztowna. Stwierdzenie to dotyczy wyłącznie wybudowanych wcześniej elektrowni jądrowych. Wiele obecnych reaktorów jądrowych zbudowano bez oczekiwania na ich późniejszą likwidację. Ale przy budowie nowych elektrowni jądrowych ten punkt będzie już brany pod uwagę. Koszt likwidacji elektrowni jądrowej będzie jednak wliczony w koszt energii elektrycznej, za który płacą konsumenci. Nowoczesne reaktory projektuje się na 40 lat, a koszt ich likwidacji będzie spłacany przez ten długi okres, w związku z czym będzie miał niewielki wpływ na cenę energii elektrycznej.
Budowa elektrowni jądrowej trwa zbyt długo. Jest to być może najbardziej bezpodstawne ze wszystkich stwierdzeń kampanii antynuklearnych. Budowa elektrowni jądrowej trwa od 4 do 6 lat, co jest porównywalne z czasem budowy „tradycyjnych” elektrowni. Modułowa budowa nowych elektrowni jądrowych może w pewnym stopniu przyspieszyć proces budowy elektrowni jądrowych.
Atom składa się z jądra otoczonego obłokami cząstek tzw elektrony(widzieć zdjęcie). Jądra atomów – najmniejsze cząstki, z których składają się wszystkie substancje – zawierają znaczną ilość. To właśnie ta energia uwalniana jest w postaci promieniowania podczas rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Promieniowanie jest niebezpieczne dla życia, ale do jego wytworzenia można wykorzystać reakcje jądrowe. Promieniowanie wykorzystuje się także w medycynie.
Radioaktywność
Radioaktywność to właściwość jąder niestabilnych atomów polegająca na emitowaniu energii. Większość ciężkich atomów jest niestabilna, ale lżejsze atomy mają radioizotopy, tj. izotopy radioaktywne. Powodem radioaktywności jest to, że atomy mają tendencję do stania się stabilnymi (patrz artykuł „ ”). Wyróżnia się trzy rodzaje promieniowania radioaktywnego: promienie alfa, promienie beta I promienie gamma. Ich nazwy pochodzą od pierwszych trzech liter alfabetu greckiego. Początkowo jądro emituje promienie alfa lub beta, a jeśli jest nadal niestabilne, jądro emituje również promienie gamma. 
Na zdjęciu widać trzy jądra atomowe. Są niestabilne i każdy z nich emituje jeden z trzech rodzajów promieni. Cząstki beta to elektrony o bardzo wysokiej energii. Powstają w wyniku rozpadu neutronu. Cząstki alfa składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Jądro atomu helu ma dokładnie taki sam skład. Promienie gamma to wysokoenergetyczne promieniowanie elektromagnetyczne, które przemieszcza się z prędkością światła.
Cząsteczki alfa poruszają się powoli i zatrzymują je w warstwie materii grubszej niż kartka papieru. Nie różnią się niczym od jąder atomów helu. Naukowcy uważają, że hel na Ziemi jest produktem naturalnej radioaktywności. Cząstka alfa leci na odległość mniejszą niż 10 cm, a kartka grubego papieru ją zatrzyma. Cząstka beta leci w powietrzu na wysokość około 1 metra. Arkusz miedzi o grubości 1 milimetra może go powstrzymać. Intensywność promieni gamma spada o połowę przy przejściu przez warstwę ołowiu o grubości 13 milimetrów lub warstwę o grubości 120 metrów.
Substancje radioaktywne transportuje się w grubościennych ołowianych pojemnikach, co zapobiega wyciekom promieniowania. Narażenie na promieniowanie powoduje u ludzi oparzenia, zaćmę i raka. Poziom promieniowania mierzy się za pomocą licznik Geigera. To urządzenie wydaje dźwięk kliknięcia, gdy wykryje promieniowanie radioaktywne. Po wyemitowaniu cząstek jądro uzyskuje nową liczbę atomową i zamienia się w jądro innego pierwiastka. Proces ten nazywa się rozpad radioaktywny. Jeśli nowy pierwiastek jest również niestabilny, proces rozpadu trwa aż do powstania stabilnego jądra. Na przykład, gdy atom plutonu-2 (jego masa wynosi 242) emituje cząstkę alfa, której względna masa atomowa wynosi 4 (2 protony i 2 neutrony), zamienia się w atom uranu - 238 (masa atomowa 238). Pół życia- jest to czas, w którym rozpada się połowa wszystkich atomów w próbce danej substancji. Różne mają różne okresy półtrwania. Okres półtrwania radu-221 wynosi 30 sekund, a uranu 4,5 miliarda lat.
Reakcje jądrowe
Istnieją dwa rodzaje reakcji jądrowych: fuzja nuklearna I rozszczepienie (rozszczepienie) jądra. „Synteza” oznacza „połączenie”; Podczas syntezy jądrowej dwa jądra łączą się, a jedno jest duże. Fuzja jądrowa może nastąpić tylko w bardzo wysokich temperaturach. Fuzja uwalnia ogromną ilość energii. Podczas syntezy jądrowej dwa jądra łączą się w jedno duże. W 1992 roku satelita COBE odkrył w przestrzeni kosmicznej szczególny rodzaj promieniowania, co potwierdza teorię, że powstało ono w wyniku tzw. wielki wybuch. Z terminu rozszczepienie jasno wynika, że jądra rozszczepiają się, uwalniając energię jądrową. Jest to możliwe, gdy jądra bombardowane są neutronami i zachodzi w substancjach radioaktywnych lub w specjalnym urządzeniu zwanym Akcelerator cząsteczek. Jądro dzieli się, emitując neutrony i uwalniając kolosalną energię.
Energia atomowa
Energia powstająca w wyniku reakcji jądrowych może zostać wykorzystana do produkcji energii elektrycznej oraz jako źródło energii w atomowych okrętach podwodnych i lotniskowcach. Działanie elektrowni jądrowej opiera się na rozszczepieniu jądra atomowego w reaktorach jądrowych. Pręt wykonany z substancji radioaktywnej, takiej jak uran, jest bombardowany neutronami. Jądra uranu rozszczepiają się, emitując energię. To uwalnia nowe neutrony. Proces ten nazywa się reakcja łańcuchowa. Elektrownia wytwarza więcej energii na jednostkę masy paliwa niż jakakolwiek inna elektrownia, ale środki ostrożności i usuwanie odpadów radioaktywnych są niezwykle kosztowne.
Broń nuklearna
Działanie broni nuklearnej polega na tym, że niekontrolowane uwolnienie ogromnej ilości energii jądrowej prowadzi do straszliwej eksplozji. Pod koniec II wojny światowej Stany Zjednoczone zrzuciły bomby atomowe na japońskie miasta Hiroszima i Nagasaki. Zginęły setki tysięcy ludzi. Na nich opierają się bomby atomowe reakcje rozszczepienia, wodór - włączony reakcje syntezy. Zdjęcie przedstawia bombę atomową zrzuconą na Hiroszimę.
Metoda radiowęglowa
Metoda radiowęglowa określa czas, jaki upłynął od śmierci organizmu. Istoty żywe zawierają niewielkie ilości węgla-14, radioaktywnego izotopu węgla. Jego okres półtrwania wynosi 5700 lat. Kiedy organizm umiera, rezerwy węgla-14 w tkankach wyczerpują się, izotop rozpada się, a pozostałą ilość można wykorzystać do ustalenia, jak dawno temu organizm umarł. Dzięki metodzie datowania radiowęglowego można dowiedzieć się, jak dawno temu nastąpiła erupcja. Aby to zrobić, używają owadów i pyłków zamrożonych w lawie.
Jak jeszcze wykorzystuje się radioaktywność?
W przemyśle do określenia grubości arkusza papieru lub tworzywa sztucznego wykorzystuje się promieniowanie (patrz artykuł „”). Na podstawie intensywności promieni beta przechodzących przez arkusz można wykryć nawet niewielką niejednorodność jego grubości. Produkty spożywcze – owoce, mięso – są napromieniane promieniami gamma, aby zachować ich świeżość. Korzystając z radioaktywności, lekarze śledzą drogę substancji w organizmie. Na przykład, aby określić rozkład cukru w organizmie pacjenta, lekarz może wstrzyknąć trochę węgla-14 do cząsteczek cukru i monitorować emisję substancji podczas jej przedostawania się do organizmu. Radioterapia, czyli napromienianie pacjenta ściśle dozowanymi porcjami promieniowania, zabija komórki nowotworowe – przerośnięte komórki organizmu.